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Anregungungen zur Weiterentwicklung

Aspekte der Humanwissenschaften

Kombinationen von Landschaften und Klimazonen sind oft einzigartig und bewirken, dass die Erde durch eine große regionale Vielfalt geprägt ist. Durch Wahrnehmungen regelmäßiger Abläufe, funktionaler Zusammenhänge und räumlicher Muster entwickeln Menschen Handlungsstrategien im Umgang mit ihrer Umwelt, die auf Erfahrungen und Erkenntnissen basieren. Da diese Wahrnehmungen ortsspezifisch sind, entwickelt sich eine große Anzahl verschiedener Gestaltungs- und Handlungsstrategien in der Wechselbeziehung zwischen Umwelt und Mensch. Obwohl die Übertragung solcher Strategien von einer Region in eine andere prinzipiell möglich sein kann, ist sie oft von Fehlschlägen betroffen. Die Kolonialgeschichte liefert hierfür zahlreiche Beispiele. Wenn wir also verstehen wollen, warum Landwirte bestimmte Kultivierungsmethoden wählen und charakteristische Unterschiede in Kulturlandschaften und der Nutzung von Ressourcen entstehen, müssen die Pflanzenbauwissenschaften auch mit den Humanwissenschaften zusammen arbeiten. Hierbei wird es zunächst darum gehen, auf beschreibende Weise zu charakterisieren, in welcher Weise Landwirte ihre Umwelt wahrnehmen, vor ihrem Erfahrungshintergrund interpretieren und motivationale Handlungsstrategien entwickeln. Dabei können die Pflanzenbauwissenschaften insbesondere an die Kognitionswissenschaft, die junge Wissenschaft der menschlichen Verhaltensökologie (Winterhalder und Kennet 2000), Kulturgeographie, Anthropologie, Archäologie und Ethnologie anknüpfen.

Pflanzenbauwissenschaft als systemorientierte Wissenschaft

Landwirte operieren in einem schwierigen Spannungsfeld zwischen Ökonomie und Ökologie, das sich in seiner Gesamtheit nur schwer erfassen läßt. Mit zunehmender Erfahrung entwickeln sie jedoch spezifische Denkweisen, Handlungsmuster und Sprachgewohnheiten, die es zu analysieren gilt, um dann Rückschlüsse auf ihr Umweltverhalten abzuleiten. Hierzu ist es eigentlich erforderlich, die Umwelt und die beteiligten Akteure explizit zu charakterisieren und hierarchischen Skalenebenen in einem Gesamtsystem zuzuordnen. Dazu reichen unsere Erfahrungen in der Regel jedoch nicht aus, so dass entsprechende Konstrukte nur schwache Annäherungen an die Wirklichkeit sein können. Hier sollte ein Umdenken in der Anwendung der Systemtheorie auf pflanzenbauwissenschaftliche Fragestellungen stattfinden, indem nicht das komplexe System, sondern die mathematische Vorstellung darüber selbst als adaptiv betrachtet wird. Durch die Anwendung rekursiver Algorithmen und kontinuierlicher Vergleiche mit der Realität werden die Ordnungen und funktionalen Zusammenhänge von Elementen eines Systems dabei ständig verändert. Für diesen Zweck stehen eine große Anzahl verschiedener Methoden der Systemidentifikation, künstlichen Intelligenz und Computerprogrammierung zur Verfügung.

Abb. 4   Diversifizierte, kleinbäuerliche Pflanzenproduktion am Rand des Mt. Kenia. Die funktionalen Zusammenhänge in solchen ländlichen Produktionssystemen können nur durch breit angelegte interdisziplinäre Forschungszusammenarbeiten verstanden werden. Im engeren Sinne gilt dies insbesondere für die Pflanzenbau-, Forst- und Gartenbauwissenschaften, deren gegenseitigen Abgrenzungen in diesem Zusammenhang als künstlich erscheinen.

Der Hauptfokus der Pflanzenbauwissenschaften liegt auf der Erforschung von Kausalzusammenhängen zwischen der zeitlichen Entwicklung des Wachstums und der Ertragsbildung von Nutzpflanzen sowie auf der Gestaltung von technischen Prozessen und Managementstrategien zur Optimierung ihrer jeweils genetisch vorgegebenen Ertragspotentiale. Als Grundlage dient hierzu der landwirtschaftliche Feldversuch, in dem ausgewählte Prüffaktoren oder Merkmale unter gegebenen Umweltbedingungen mit Hilfe biometrischer Methoden getestet werden. Es ist ein Standardverfahren, das sich im Beratungswesen, der Pflanzenzüchtung und Sortenprüfung sowie der pflanzenbaulichen Forschung lange bewährt hat, weil es eine integrierte Betrachtungsweise des komplexen Ertragsbildungsprozesses unter spezifischen Standortverhältnissen ermöglicht. Der klassische Feldversuch wird daher in der Zukunft sicherlich weiterhin Bestand haben. Er muss dabei aber zukünftig durch naturwissenschaftliche Untersuchungen begleitet werden, damit die zugrundeliegenden Mechanismen der Ertragsphysiologie und die Wechselwirkungen zwischen Pflanzenbau und Umwelt besser verstanden werden. Ohne die Einbeziehung naturwissenschaftlicher Experimentalmethoden würden die Ergebnisse von Feldversuchen ihren lediglich beschreibenden Charakter beibehalten und damit wenig Aufschluß über die flexiblen Reaktionen von Pflanzen auf ihre variable Umwelt geben.

Anknüpfung an die Pflanzenökologie und Umweltphysik

Von den Naturwissenschaften steht die Pflanzenökologie den Pflanzenbauwissenschaften am Nächsten. Sie beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Umweltbedingungen von Pflanzen, den daraus resultierenden Anpassungsmechanismen und insbesondere mit deren Wechselbeziehungen sowie den funktionalen Konsequenzen der Biodiversität (Schulze et al. 2005; Kinzig et al. 2002). Eine Verstärkung der Zusammenarbeit zwischen Pflanzenökologen und Pflanzenbauwissenschaftlern fördert die Gestaltung neuer, diversifizierter und nachhaltigerer Anbausysteme, die im besseren Einklang mit der Natur stehen als das heute der Fall ist, weil diese auf der Basis ökologischer Prinzipien entworfen werden. Da sich die Ökologie unter anderem mit den Anpassungsmechanismen von Pflanzen an wechselnde Umweltbedingungen beschäftigt, muss diese Vorgehensweise nicht im Widerspruch zur ökonomischen Effizienz stehen. Bessere Kenntnisse über das Adaptationsvermögen pflanzlicher Systeme vermindert die Unsicherheit ökonomischer Prognosen erheblich und führt damit auch zu einer präziseren Planbarkeit pflanzenbaulicher Produktionssysteme sowie einer effizienteren Bewirtschaftung von immer knapper werdenden Produktionsressourcen.

Abb. 5   Ökophysiologische Untersuchungen in einer artenreichen Strauch- und Baumvegetation in Westaustralien. Durch unangepaßte Landnutzung sind große Teile dieser Region akut von Bodenversalzung bedroht. Neue, nachhaltigere Landnutzungssysteme können nur auf der Basis eines wissenschaftlichen Verständnisses über ökologische Zusammenhänge entworfen werden. Die Pflanzenbauforschung muss hierzu eine enge Verbindung mit der Pflanzenökologie eingehen.

Weiterhin ist eine Verstärkung der Zusammenarbeit mit der Umweltphysik erforderlich. Die mathematische Beschreibung der Wasser- und Wärmebewegungen in heterogenen Böden, der physikalischen Zustände in Wurzelräumen, der Windausbreitung in aneinandergrenzenden Nutzpflanzenbeständen und der Austausch von Energie und Stoffen mit der Atmosphäre bereitet immer noch große Schwierigkeiten. Kenntnisse darüber sind notwendig, um die Einflüsse der immer stärker werdenden Wetterschwankungen auf pflanzliche Produktionssysteme und deren biologische Antwort darauf besser bewerten zu können. In Zeiten immer knapper werdender Wasserressourcen haben diese Informationen eine besondere Relevanz für die Planung von Produktionssystemen mit hoher Wassernutzungseffizienz. Die Landwirtschaft verbraucht derzeit etwa 80 Prozent des weltweit zur Verfügung stehenden Süßwassers (Rosegrant 2002). Aufgrund der wachsenden Konkurrenz um Wasserressourcen muß dieser Verbrauch in Zukunft drastisch eingeschränkt werden. Die technischen Lösungen stehen hierfür bereit, aber in vielen Regionen der Erde mangelt es an wirtschaftlichen Rahmenbedingungen um diese tatsächlich in der Praxis umsetzen zu können. Die Erforschung physiologischer Anpassungsmechanismen an variierende Wasserstressbedingungen, Züchtung neuer, adaptiver Pflanzen und gezielte Ausnutzung pflanzlicher Regulationsvorgänge im Wassermanagement erschließt wirkungsvolle und kostengünstige Alternativen zu diesem Problembereich. Diese Methoden können jedoch nur auf der Basis enger Zusammenarbeiten zwischen den Pflanzenbauwissenschaften und der Pflanzenbiologie entwickelt werden.

Damit pflanzliche Regulationsvorgänge und Antworten auf Veränderungen ihrer physikalischen, chemischen und biologischen Umwelt besser interpretiert werden können, ist auch eine Verstärkung der Zusammenarbeit mit der pflanzenphysiologischen Ökologie notwendig. Die Fragestellungen ergeben sich dabei aus ökologischen Beobachtungen, die dann auf einem niedrigeren Integrationsniveau je nach Problemorientierung mit Hilfe physiologischer, biochemischer, biophysikalischer oder molekularbiologischer Methoden bearbeitet werden können (Lambers et al. 1998). Die Dynamik pflanzenphysiologischer Veränderungen, der Bildung von Stoffen, deren Umformung, Verteilung und Einlagerung können mit einer großen Auswahl von Meßmethoden untersucht werden. Aus den Ergebnissen lassen sich Rückschlüsse über die Reaktionen pflanzlicher Systeme auf Zustandswechsel ihrer Umwelt ziehen. Entsprechende Erkenntnisse liefern wertvolle Hinweise für die Gestaltung und das Management pflanzlicher Anbausysteme. In der Präzisionslandwirtschaft ist sogar eine Kopplung ökophysiologischer Untersuchungsmethoden mit Entscheidungswerkzeugen möglich.

Molekularbiologie und Lebenswissenschaften

Physiologische Untersuchungen können zwar Aufschluss über einzelne Regulationsvorgänge in Pflanzen geben, aber niemals ihre Koordination auf der Ganzpflanzenebene erfassen. Hierzu ist der Einsatz molekularbiologischer Methoden notwendig, mit denen Stoffwechselwege gezielt verfolgt und die Kommunikation zwischen einzelnen Pflanzenorganen untersucht werden können (Stitt and Fernie 2003, Hall 2006). Aus ökonomischer Sicht sind Untersuchungen über den Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus besonders interessant, weil sie das Biomassewachstum und die Ertragsbildung maßgeblich beeinflussen. Darüber hinaus sind Kenntnisse über die physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf abiotische Streßfaktoren sehr wertvoll, um sie für Managementzwecke ausnutzen zu können. Beispielsweise kann durch eine kontrollierte Defizitbewässerung die Effizienz der Nutzung von Wasserressourcen im Bewässerungslandbau drastisch gesteigert werden. Für eine gezielte Ausnutzung dieser und anderer physiologischer Stressreaktionen sind vertiefte Kenntnisse über die zugrundeliegenden Signalwege und deren Auswirkungen auf den pflanzlichen Stoffwechsel nötig.

Abb. 6   Bewässerungskanal in der Nähe des Atatürk Staudamms, der in der politisch brisanten Region der Südost-Türkei liegt (GAP Projekt). Die Erarbeitung pflanzenbasierter Lösungen für die nachhaltige Bewirtschaftung immer knapper werdender Süßwasserressourcen wird eine der zentralen Aufgaben der internationalen Pflanzenbauforschung werden, die nur durch enge Zusammenarbeiten mit der Pflanzenbiologie gemeistert werden können.

Die Molekularbiologie ist darüber hinaus auch für viele weitere Anwendungsbereiche des Pflanzenbaus relevant. Basierend auf molekularbiologischen und biochemischen Untersuchungen können phytosanitäre Maßnahmen im Pflanzenbau wesentlich präziser konzipiert werden. Die Eigenschaften von Pflanzen als Lieferanten von Pflanzeninhaltsstoffen, medizinisch wirksamen Substanzen oder Impfstoffen können gezielter ausgenutzt werden. Hierzu sind Kenntnisse über die biologische Synthese dieser Stoffe nötig, aus denen dann Handlungsstrategien für die Pflanzenzüchtung, Gestaltung von Anbausystemen und die Bestandesführung im praktischen Pflanzenbau abgeleitet werden können. Gleiches gilt für den derzeit immer stärker werdenden Bereich der Produktion von ‚grünen‘ Chemikalien (Nelson 2004), industriellen Rohstoffen und Energie. Weiterhin gibt es fachliche Überschneidungen mit vielen grundlagen- und anwendungsorientierten Wissenschaften in der Erforschung der pflanzlichen Produktion von Enzymen zur Katalyse chemischer und biologischer Reaktionen, die sich über einen weiten Bereich von der Nahrungsmittelproduktion, dem Futterbau und dem Pflanzenschutz, über die Zellstoff und Papierproduktion bis zur Pharmazie und Kosmetik erstreckt. Schließlich eröffnen molekularbiologische und genetische Methoden neue Möglichkeiten in der Pflanzenzüchtung, die von der Gesellschaft weiterhin mit sehr unterschiedlicher Wertschätzung betrachtet wird. Auf Wissenschaft gegründete Pflanzenbauforschung heißt in diesem Zusammenhang auch mit allen in diesem Bereich agierenden Akteuren offene und inhaltliche Dialoge über die Chancen und Risiken dieser Techniken zu führen, diese auf der Basis neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse zu bewerten und daraus konkrete, gesellschaftlich gewollte Handlungsstrategien für den praktischen Pflanzenbau abzuleiten. Auch in dieser Hinsicht haben die Pflanzenbauwissenschaften einen gesellschaftlichen Auftrag zu erfüllen.

Ob die Molekularbiologie für die Pflanzenbauwissenschaften immer relevanter oder immer irrelevanter wird, ist eine müßige Frage, die sich leicht mit den Ausführungen der letzten beiden Abschnitte beantworten lässt. Allerdings muss in diesem Zusammenhang die ernsthaftere Frage aufgeworfen werden, ob die Pflanzenbauwissenschaften mit der Molekularbiologie wirklich direkt zusammen arbeiten sollten. Sicherlich ist dies in einigen Bereichen möglich, beispielsweise bei der Planung von Prozessketten, in denen biologische Prozesse gezielt für die Produktion spezifischer Pflanzenstoffe genutzt werden sollen. Allerdings müssen hierzu mehrere Ebenen der biologischen Organisation vom Gen, der Zelle über Organe und die gesamte Pflanze bis zum Ackerschlag und Ökosystem in kohärenten Zusammenhang gebracht werden. Kann und sollte eine solche Aufgabe von den Pflanzenbauwissenschaften alleine geleistet werden ? Schließlich handelt es sich ja um ein Wissenschaftsfeld, das von integrierenden Betrachtungen lebt. Aufgrund der Größe dieser Aufgabe sind Zweifel angebracht, ob dies auf kurze Sicht gelingen kann. Außerdem handelt es sich dabei um klassische und neuere Betätigungsfelder der Biologie. Wäre daher eine Ankopplung an die Biologie allein schon aus Effizienzgründen nicht sogar sinnvoller ? Jüngste Erkenntnisse der kognitiven Wissenschaft deuten darauf hin, dass disziplinäre Grenzen eingehalten werden müssen, weil neue Informationen und sich daraus ergebende Fragestellungen nur vor dem Hintergrund expliziter Wissensstrukturen interpretiert werden können, die nicht universell zugänglich sind (Boulton et al. 2005; Holyoak and Morrison 2005; Carruthers et al. 2002). Aus Sicht der Pflanzenbauwissenschaften ist daher vorzuschlagen, die Zusammenarbeit mit der Pflanzenbiologie massiv zu verstärken, die einen wesentlich besseren Zugang zur Molekularbiologie hat. Durch diese Zusammenarbeit können konkrete, praktische Handlungsstrategien für die Gestaltung pflanzlicher Systeme abgeleitet werden. Eine Eingliederung der Pflanzenbauwissenschaften in die Lebenswissenschaften ist aus diesem Grunde zu befürworten. Allerdings muss dies auf der Basis einer Fächerkonstellation geschehen, die kohärente Betrachtungen der in diesem Zusammenhang entstehenden komplexen Fragestellungen ermöglicht.

Modellierung als fach- und länderübergreifendes Arbeitswerkzeug

Wenn Wissenschaften, wie gerade dargestellt, über weite disziplinäre Grenzen kommunizieren möchten, dann muss hierzu eine gemeinsame Sprache verwendet werden, die eine Vernetzung ermöglicht. Angesichts der enormen Vielfalt der Fachjargons in den Pflanzenwissenschaften, Naturwissenschaften und Humanwissenschaften ist dies eine Herausforderung, die zukünftig nicht mehr ausschließlich mit Hilfe der menschlichen Sprache gemeistert werden kann. Es muss eine Sprache verwendet werden, die den Austausch von Erkenntnissen und Theorien quer durch sämtliche an diesem Gedankenaustausch beteiligten und noch so verschiedenen Disziplinen herstellt und sogar eine direkte Übertragung in die Praxis gestattet. Dies ist die Sprache der Modellierung, wobei zwischen zwei ineinandergreifenden und sich ergänzenden Formen unterschieden werden muß: (1) Aufgrund ihres strikt logischen Charakters ermöglicht die quantitative Modellbildung in allen grundlagen- und anwendungsbezogenen Bereichen der Naturwissenschaften den Austausch von Theorien. Über diese die Kommunikation begünstigende Eigenschaft hinaus wurde eingangs schon die grundsätzliche Bedeutung der Modellierung für die Bildung wissenschaftlicher Theorien aufgezeigt. Sie ist Grundvoraussetzung für die Anwendung mathematischer Zugriffsweisen. (2) Die qualitative Modellbildung steht insbesondere den Humanwissenschaften sehr nahe und ist nicht dazu gezwungen den formalen Regeln der Naturwissenschaften zu folgen. Qualitative Modelle entstehen durch permanente Vergleiche zwischen Wahrnehmungen, Erfahrungen und Vorstellungen sowie der Bildung kohärenter gedanklicher Konzepte (Varley und Siegal 2000; Holyoak und Morrison 2005) und deren anschließende Transformation in sprachliche Konstrukte (Steiner 2001). Voraussetzung hierfür ist die Fähigkeit, Einzigartigkeiten und Muster aus der ungeheuren Vielzahl von Wahrnehmungen vor dem Hintergrund einer breit angelegten Wissensbasis erkennen und assoziieren zu können. Aufgrund ihres logischen Charakters können qualitative Modelle in Einklang mit quantitativen Modellen gebracht werden, indem hierzu speziell für diesen Zweck entwickelte ‚weiche‘ Methoden der Informatik verwendet werden (Konar 2000). Diese Technik ermöglicht zudem auch eine bessere Übertragung von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Praxis und entsprechende Rückkopplung.

Eine erweiterte Umsetzung der Sprache der Modellierung auf die am Beginn dieses Abschnitts angesprochene ortsspezifische Wahrnehmung und Erfassung von Mustern ist die räumliche Modellierung. Diese beinhaltet die Identifizierung und Analyse von zeitlich variablen Mustern in der Fläche und ist sowohl mit qualitativen als auch quantitativen Modelliermethoden kompatibel. Neue Entwicklungen in der Agrar- und Geoinformatik eröffnen eine Vielzahl von qualitativen und quantitativen Modellansätzen wobei insbesondere wissenschaftsbasierte, weiche Ansätze in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen haben. Hierbei werden Unschärfen in der Aussage in die Modellbildung explizit mit einbezogen und in den Prozess der Entscheidungsfindung integriert.

Abb. 7   Mikrometeorologische Messungen von Stoff- und Energieflüssen zwischen der Atmosphäre und terrestrischen Ökosystemen. Die hier dargestellte Wirbelkorrelationsanlage in Yatir am nördlichen Rand der Negevwüste ist Bestandteil eines globalen Netzwerks von etwa 470 Klimaforschungsstationen in 46 Ländern (FLUXNET Stand 12. Dezember 2007). Verbundforschungsprojekte dieser Art verdeutlichen die Notwendigkeit von internationalen Zusammenarbeiten, die in der Zukunft weiter zunehmen werden. Die Sprache der Modellierung wird in diesem Zusammenhang deutlich an Bedeutung gewinnen, weil sie den Austausch von Forschungserkenntnissen über weite disziplinäre und geographische Grenzen ermöglicht.