In einer lauen Sommernacht stehen wir an einem Waldsee im Osten Deutschlands und hören die Wellen ans gegenüberliegende Ufer schlagen. Da geschieht etwas Sonderbares: Lichtringe schweben über der Oberfläche des Sees und strahlen mit schwachem Schein. Plötzlich huschen auch am Ufer rote Lichter vorbei und verraten ein paar Menschen. Es sind Wissenschaftler; das rote Licht ihrer Taschenlampen soll weniger störend sein als eine Beleuchtung in einer anderen Farbe – sie wollen nämlich die Tiere im See beobachten, die gerade ihrer Nacht beraubt werden.

Das Experiment nahe Berlin ist das ambitionierteste einer ganzen Reihe von Untersuchungen, die derzeit in dunklen Gegenden überall in Europa stattfinden. Die Projekte wurden in den letzten Jahren ins Leben gerufen, um den Einfluss der Lichtverschmutzung auf ganze Ökosysteme zu erforschen, der Fachleuten zunehmend Sorgen bereitet. Etliche Studien beschreiben, wie künstliches Licht einzelnen Spezies schadet; weniger klar ist dagegen, wie das Licht ganze Ökosysteme und deren Nutzen für uns Menschen beeinflusst, beispielsweise die Bestäubung von Feldpflanzen. Mehrere Feldstudien sollen nun Antworten liefern, indem sie die Reaktionen von Pflanzen und Tieren auf direktes Licht prüfen, ebenso wie sie die Effekte des Skyglow oder Himmelsleuchten, eines diffusen, unnatürlichen Hintergrundleuchtens des Nachthimmels, untersuchen.

Die genaue Menge an Licht und die Reaktion verschiedener Spezies darauf sind für die Ökologen nicht leicht zu bestimmen. Laut ersten Ergebnissen scheint die nächtliche Helligkeit aber für die unterschiedlichsten Ökosysteme deutlich und langfristig Stress zu erzeugen. Das gilt für Küste und Ackerland ebenso wie für die Flüsse in Städten, von denen viele bereits unter anderen, bekannteren Formen der Verschmutzung leiden. »Das haben wir bisher alles übersehen«, sagt der Botaniker Steve Long von der University of Illinois in Urbana–Champaign und Herausgeber der Zeitschrift »Global Change Biology«. »Wir wissen sehr viel über die Folgen des CO₂-Anstiegs. Doch welchen Einfluss hat die Lichtverschmutzung? Mit allem, was wir unserer Umwelt antun, setzen wir unsere Zukunft aufs Spiel«, mahnt er.

In den 1950er Jahren untersuchte der niederländische Physiologe Frans Verheijen erstmals, wie das Licht Tiere anzieht und ihr Verhalten beeinflusst. Auch wenn weitere Beobachtungen in den 1970er Jahren folgten, so waren es doch erst die zwei Querdenker und Biogeografen Catherine Rich, Präsidentin der Urban Wildlands Group in Los Angeles in California, und Travis Longcore, derzeit an der University of Southern California in Los Angeles, die relevante Zusammenhänge erkannten. Im Jahr 2002 organisierten sie eine Konferenz und veröffentlichten 2006 das Buch »The Ecological Consequences of Artificial Night Lighting«, in dem sie beschrieben, wie weit verbreitet die hell erleuchtete Nacht bereits ist.

Für die große Mehrheit der Organismen, egal ob Mensch, Kakerlake oder Planktonhaufen, ist der Zyklus von Licht und Dunkelheit ein maßgeblicher Regulator, der Balzverhalten, Reproduktion, Migration und vieles mehr steuert. »Seit Beginn der Entwicklung des Lebens hat sich die Erde dramatisch verändert. Doch es gab dabei immer helle Tage und dunkle Nächte. Wenn man das verdreht, könnte eine Menge durcheinandergeraten«, erklärt der Physiker Christopher Kyba vom deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam.

Das Tempo des Wandels auf der Welt steigt rapide. Beeindruckende Bilder aus dem All der letzten zwei Jahrzehnte machen deutlich, wie die Nacht nach und nach verschwindet. Schätzungen zufolge gibt es auf mehr als einem Zehntel der Landfläche der Erde nachts künstliches Licht, und dies beläuft sich sogar auf 23 Prozent, wenn das Himmelsleuchten eingerechnet wird. Der Anteil künstlich beleuchteter Außenbereiche stieg zwischen 2012 und 2016 jährlich um zwei Prozent an. Eine unerwartete Treibkraft dieses Trends sind Leuchtdioden, die wegen ihrer höheren Energieeffizienz gegenüber anderen Leuchtmitteln immer populärer werden. Sie emittieren oft weißes Licht mit sehr breitem Spektrum, das einen Großteil der für die natürliche Umwelt relevanten Frequenzen einschließt.

Auf manche Lebewesen hat der Trend deutliche Auswirkungen. Dass beispielsweise Vögel und Wasserschildkröten durch Licht ihre Orientierung verlieren, ist bekannt. Wie Wissenschaftler außerdem herausgefunden haben, verändert die abnehmende Dunkelheit das Verhalten von Grillen, Motten und Fledermäusen und steigert sogar die Übertragung von Krankheiten bei Vögeln.

Den fatalsten Effekt findet man vielleicht bei Insekten, die bedeutende Nahrungsquelle und Bestäuber in vielen Ökosystemen sind. Geschätzt löscht in Deutschland das Licht der Straßenbeleuchtung mehr als 60 Milliarden Insekten in einem einzigen Sommer aus. Einige Insekten fliegen direkt in die Lampen und verbrennen; andere kollabieren, nachdem sie stundenlang darum herumgeflogen sind.

Der Einfluss auf Pflanzen wurde bisher weniger untersucht, doch auch hier deutet sich eine störende Wirkung von Licht an. Im Vereinigten Königreich dokumentierten Wissenschaftler 13 Jahre lang den Zeitpunkt der Knospenbildung von Bäumen und verglichen diese mit Satellitenbildern, auf denen die Helligkeit der Nacht zu erkennen war. Selbst wenn die Forscher den Effekt städtischer Wärmeinseln herausrechneten, stellten sie fest, dass künstliche Beleuchtung die Knospen mehr als eine Woche früher aufgehen lässt als natürliches Licht – ein Anstieg, der dem Effekt einer globalen Erwärmung von 2 Grad Celsius gleichkommt. Einer Studie auf Sojabohnenfarmen in Illinois zufolge zeigten sich weitere Auswirkungen: So war die Reifung der Nutzpflanzen um bis zu sieben Wochen durch das Licht der nahe gelegenen Straßen und Autos verzögert und der Ertrag deutlich verringert.

Effekte auf das Ökosystem

Inzwischen wurden auch schon erste Ergebnisse sehr anspruchsvoller Experimente bekannt gegeben. Eines der größten ist ein Feldversuch in den Niederlanden, in dem mehrere Reihen von Straßenlaternen an acht Standorten in Naturreservaten und in dunklen Bereichen aufgestellt wurden. Die Laternenreihen strahlen in verschiedenen Farben – Grün, Rot, Weiß, und es gibt eine Kontrollreihe mit abgeschalteten Laternen; allesamt verlaufen die Reihen von Weideland oder Heidefeldern in einen Wald hinein. Seit inzwischen sechs Jahren überwachen die Wissenschaftler und Freiwillige mit Kamerafallen und automatischen Fledermausdetektoren die Aktivität kleiner Säugetiere, fangen mit Netzen Vögel, an denen sie Zeitpunkt und Erfolg der Brut bestimmen, und untersuchen die Vegetation unter den Lampen.

Das Team fand dabei etliche Hinweise auf negative Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf die Gesundheit der Tiere in freier Wildbahn. Singvögel mit Ruheplätzen in der Nähe des weißen Lichts schliefen unruhiger und kürzer und zeigten Stoffwechselveränderungen, die auf eine schlechtere Gesundheit hinwiesen. Das Projekt untersuchte auch, wie künstliches Licht verschiedene Arten von Fledermäusen beeinflusst. Für einige Spezies wie die weit verbreitete Zwergfledermaus (Pipistrellus pipistrellus) waren die um die Lampen herumfliegenden Insekten ein wahres Festmahl. Andere, lichtscheue Fledermäuse dagegen verloren ihren Lebensraum und verschwanden sogar an manchen Orten völlig. Laut der niederländischen Studie hatte rotes Licht keinerlei Einfluss auf die verschiedenen Fledermausspezies, so dass dieses gut anstatt des weißen Lichts eingesetzt werden könnte.

Doch etliche Ergebnisse waren auch widersprüchlich. So hatte sich einerseits gezeigt, dass Kunstlicht in der Stadt Singvögel dazu bringt, früher am Tag ihre Lieder zu trällern. Nachdem Weibchen dazu neigen, früh singende Männchen zu bevorzugen, sollte das Kunstlicht beeinflussen, welche Exemplare des Männerchors sich fortpflanzen und welche eher nicht. Letzten Endes fand das Forscherteam in den Niederlanden aber bei keiner der 14 Singvogelspezies einen Einfluss des Lichts, was jedoch auch daran gelegen haben könnte, dass hier das Licht auf die Beleuchtungsstärke von Landstraßen und Fahrradwegen eingestellt war und nicht auf die grelle Beleuchtung eines Stadtparks.

Für die lokalen Behörden sind beide Ergebnisse interessant, meint der Biologe und Projektleiter Kamiel Spoelstra vom niederländischen Institute of Ecology (NIOO-KNAW) in Wageningen. Immerhin sind etliche Daten seines Teams in die niederländische Verordnung für Außenlicht eingeflossen, weshalb in manchen Gegenden nun zum Schutz der einheimischen Fledermauspopulationen auf rotes Licht umgestellt wurde. Der Biologe hofft natürlich, dass dieses Schule macht.

Farbiges Licht ziert auch das Weideland in Südwestengland, wo das so genannte Ecolight Project nach Hinweisen auf einen Kaskadeneffekt sucht, laut dem der Einfluss von Licht auf eine Spezies einen Dominoeffekt im Ökosystem haben soll. Die von Ecolight verwendeten, leuchtenden Würfel könnten fast mit einer Kunstinstallation verwechselt werden. Die Forschungsgruppe des Biodiversitäts- und Naturschutzspezialisten Kevin Gaston von der University of Exeter in Großbritannien konnte kürzlich die Untersuchung von 54 künstlichen Weideland-Gemeinschaften beenden. In einigen Würfeln lebten Käfer, Nacktschnecken, Blattläuse und 18 Pflanzenarten über fünf Jahre lang quasi von der Außenwelt isoliert. Andere Boxen waren einfacher gehalten und enthielten Pflanzen sowie Pflanzenfresser beziehungsweise nur Pflanzen. Nachts waren manche mit weißem Licht erleuchtet, andere mit gelbem, und einige waren einfach nur dem nackten Himmel ausgesetzt.

Der Einfluss des Lichts auf das Weideland ist nicht zu unterschätzen, schon deshalb, weil das Grün an den Straßenrändern Zufluchtsort und Korridore für die Tierwelt in stark bebauten Gegenden bietet. Die Wissenschaftler entdeckten, dass gelbes Licht und im geringeren Maß auch weißes die Blüte des Sumpf-Hornklees (Lotus pedunculatus) unterdrückt. In den gelb beleuchteten Boxen zog dies eine Kettenreaktion nach sich. Im August, wenn die Blattläuse normalerweise vom Keimling auf die Blüte wechseln, sank ihre Zahl – wahrscheinlich auf Grund eines geringeren Futterangebots. »Meines Wissens ist das der erste experimentelle Hinweis auf einen starken Bottom-up-Effekt durch die Exposition mit künstlichem Licht«, sagt Gaston. Die neuesten, noch unveröffentlichten Arbeiten des Teams zeigen weitere Einflüsse in der Fresskaskade, bis hin zu den Räubern weiter oben in der Nahrungskette.

Wie ein ausgeklügeltes Experiment im Sternenpark Westhavelland gezeigt hat, könnten diese Kaskadeneffekte auf benachbarte Ökosysteme überschwappen. An Wassergräben aufgestellte Straßenlaternen locken Wasserinsekten an, erklärt der Ökohydrologe Franz Hölker vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin. Die Insekten scharen sich um die Lampen, verausgaben sich und werden Futter für ihre Fressfeinde in der Nähe. Das Hinterland dagegen, das normalerweise den Insektenbesuch erhalten hätte, ist damit einer wichtigen Futterquelle beraubt, erklärt er. Gut kontrollierte kleine Studien zu diesen Zusammenhängen könnten das Thema mehr in den Fokus rücken und dazu beitragen, dass »solche Einflüsse eher ernst genommen und von Gesetzgebern berücksichtigt werden«, hofft Longcore.

Neben all diesen Auswirkungen auf die Lebenskaskaden selbst kann auch der Nutzen der Ökosysteme für den Menschen in Mitleidenschaft gezogen werden. Laut einer im Jahr 2017 in »Nature« veröffentlichten Untersuchung hielt die Beleuchtung verschiedener Schweizer Auen nachtaktive Insekten von der Bestäubung der Pflanzen ab. Ein Team um Eva Knop vom Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern fand heraus, dass die Insektenbesuche bei Pflanzen unter künstlichem Licht um fast zwei Drittel zurückgingen und dies durch Bestäubung untertags nicht kompensiert werden konnte. Die Pflanzen produzierten infolgedessen 13 Prozent weniger Früchte. Laut Knops Team könnte sich dies auch auf die Gemeinschaft der tagaktiven Bestäuber auswirken, weil sich die Menge an verfügbarem Futter verringert. »Diese äußerst wichtige Studie zeigt sehr deutlich, wie nächtliches, künstliches Licht die Bestäubung gefährdet«, sagt Hölker.

Hell erleuchteter Himmel

Ein großer Teil der Erde ist frei von künstlichem Licht, doch das Skyglow oder Himmelsleuchten ist weit verbreitet. Dabei handelt es sich um Licht, das durch Aerosole und Wolken reflektiert wird und vom Menschen gar nicht zu sehen ist. Doch laut den Forschern könnte es 30 Prozent der Wirbeltiere und 60 Prozent der Wirbellosen stören, die nachtaktiv und dem Licht gegenüber besonders empfindlich sind.

Das Himmelsleuchten hat »ziemlich sicher« einen Einfluss auf die Biodiversität, weil seine Intensität deutlich über dem Schwellenwert liegt, der biologische Reaktionen auslöst, erklärt Gaston. Trotzdem »ist es sehr schwierig, eindeutige Studien durchzuführen.«

Und genau hier kommt das Experiment am Stechlinsee bei Berlin ins Spiel. Schimmernde Lichtkreise schweben über Zylindern, die im See versenkt sind und das Himmelsleuchten nachahmen. Sie wurden von dem Leibnizer Physiker Andreas Jechow entwickelt, der einen Weg gefunden hat, eine schwache, aber gleichmäßige Beleuchtung zu generieren, ohne das Tageslicht oder die beteiligten Wissenschaftler auszusperren. Mit seinem Team zusammen erreichte er dies durch den Einsatz modernster Methoden der Photonik wie einem hoch entwickelten Ray-Tracing-Modell. »In der Biologie wurde bisher die Komplexität des Lichts als physikalisches Phänomen völlig ignoriert«, meint Mark Gessner, Direktor des LakeLab-Projekts und Mitverantwortlicher des Kunstlichtprojekts ILES (Illuminating Lake Ecosystems). In so manchem der bisherigen Experimente wurde nicht einmal der über den Himmel wandernde Mond berücksichtigt, fügt er hinzu.

Im ILES-Projekt sollen nun die Ergebnisse einer wohlbekannten Studie über Zooplankton weiter untersucht werden. Dieses lebt tagsüber im tiefen, dunklen Wasser und steigt nachts ins seichte Wasser auf, um auf Algen zu grasen – wohl eine der umfangreichsten Wanderungen von Biomasse. Wie eine in den späten 1990er Jahren in den Seen bei Boston in Massachusetts durchgeführte Studie beschreibt, wird das Aufsteigen des Zooplanktons um zwei Meter und die Zahl der aufsteigenden Organismen um 10 bis 20 Prozent durch das Himmelsleuchten reduziert. Dies könnte ein bisher unbeachteter Faktor bei so bedeutenden Vorgängen wie der Algenblüte in verschiedenen Seen sein.

Von der Oberfläche aus gesehen, wirken die 24 Zylinder des ILES-Projekts, jeder mit einem Durchmesser von neun Metern, wie eine Fischfarm. Während ihrer Untersuchungen haben die Wissenschaftler das vermeintliche Himmelsleuchten unterschiedlich stark eingestellt und die Verteilung des winzigen Planktons mit Hilfe von Videokameras bestimmt. Ihren Ergebnissen zufolge hatte das Leuchten keinen besonderen Einfluss auf die Bewegung der Algen. »Möglicherweise hat sich das Migrationsmuster etwas verändert; da bin ich mir aber noch nicht so sicher. Und wenn, dann ist der Effekt nicht so grundlegend, wie wir erwartet hatten«, sagt Gessner.

Dieses Ergebnis ist typisch für solche recht schwierigen Untersuchungen, und Gessner betont auch, dass ja nun gerade einmal die erste Saison vergangen sei. »Vielleicht müssen wir uns doch nicht so viel oder gar nicht sorgen, zumindest was das Himmelsleuchten über den Seen angeht. Aber noch wissen wir das nicht so ganz«, erklärt er.

Strahlende Zukunft

Es ist eine langwierige und mühsame Arbeit; doch so langsam häufen sich die Ergebnisse und fügen sich zu einem Bild zusammen, sagt Gaston. »Im Lauf der letzten zwei oder drei Jahre kamen wir gut voran und verstehen die Lage nun immer besser.«

Trotzdem bedarf es einiger Nachbesserungen, denn nach wie vor lässt sich die Exposition mit Licht, beispielsweise eines Tieres auf dem Feld, nur schwer bestimmen. Dort könnte ein Vogel in den Schatten eines in der Nähe stehenden Baums fliehen, um dem Licht auszuweichen. Um das zu umgehen und die Lichtdosis besser abschätzen zu können, haben ein paar Wissenschaftler versucht, Lichtmessgeräte an Vögeln zu befestigen.

Während sie so nach und nach ihre Ergebnisse sammeln, sind die Ökologen einerseits zwar frustriert, andererseits aber auch inspiriert, denn es scheint Abhilfe in Sicht. Longcore sammelt bereits veröffentlichte Daten zur Frage, wie verschiedene Spezies wie Sturmtaucher und Wasserschildkröten auf unterschiedliche Teile des Lichtspektrums reagieren. Die Ergebnisse setzt er dann mit den Spektren in Relation, die von verschiedenen Beleuchtungstypen beziehungsweise Lampen ausgesendet werden. Später möchte er einmal die Verantwortlichen darin beraten, welche Art von Lampen beispielsweise auf einer Brücke und welche in einer Anlage am See aufgehängt werden sollten.

Ingenieure und Ökologen wissen, dass eine gut durchdachte Beleuchtung ihre Aufgabe erfüllen kann, »ohne Licht in den Himmel zu pusten«, wie Kyba es formuliert. Dafür lassen sich LEDs herstellen, die nur in bestimmten Bereichen des Spektrums leuchten und dabei gedimmt und mittels Fernsteuerung ausgeschaltet werden können. »Ich könnte mir vorstellen, dass in 30 Jahren die Straßen durchaus gut beleuchtet sind – wenn nicht sogar besser als heute – und wir trotzdem nur noch ein Zehntel der heute eingesetzten Menge an Licht benötigen«, sagt Kyba.

Das wären gute Nachrichten für die Ökosysteme, meint Hölker, der in der Dunkelheit eine der wichtigsten Kräfte der Natur sieht. »Wie jeder weiß, ist es immer auf einer Hälfte der Erde dunkel – die Nacht gehört somit unabdingbar zu uns dazu«, erklärt er.