Stoffwechsel von Pflanzen

Von außen betrachtet bestehen Pflanzen meist aus einer Wurzel, einem Stiel, Blättern und Blüten. Über die Wurzel nehmen Pflanzen Wasser und Mineralstoffe auf, die über den Stiel in die gesamte Pflanze verteilt werden (Abbildung 1). Verantwortlich für den Transport ist das Verdampfen von Wasser an den Blättern und der sogenannte Transpirationssog. Wie kann man sich das vorstellen?

Abbildung 1: Wassertransport in der Pflanze

Wenn Sie in ein Glas Wasser einen Strohhalm stellen und oben saugen, dann wird das Wasser aus dem Glas über den Strohhalm in Ihren Mund gefördert. Das geht so lange wie Sie eine durchgehende Wassersäule im Strohhalm haben. So ähnlich funktioniert es auch in Pflanzen. Das Wasser verdampft an den Blättern, dadurch wird ein Sog erzeugt und aus dem Pflanzenstiel wird Wasser nachgesogen. Aber warum reißt die Wassersäule nicht ab? Im Kapitel → Waschmittel wird die Oberflächenspannung des Wassers vorgestellt, die dafür sorgt, dass eine Stecknadel auf der Wasseroberfläche schwimmen kann. Die Wasserteilchen halten zusammen, dieses Phänomen wird Kohäsion genannt und die zwischen den Teilchen wirkenden Kräfte Kohäsionskräfte. Der Zusammenhalt zwischen den Wasserteilchen funktioniert nur, wenn eine zusammenhängende Wassersäule vorhanden ist. Wird die Wassersäule durch eine Luftblase unterbrochen, kann kein Wasser mehr nachströmen. Deshalb müssen Schnittblumen zu Hause angeschnitten werden. Auf dem Weg verdunstet Wasser und am Stiel kann kein Wasser, sondern nur Luft nachströmen. Stellen Sie nun die Blumen ins Wasser, besteht keine zusammenhängende Wassersäule mehr. Durch das Anschneiden der Blumen schneiden Sie unten das Stück, indem sich Luft befindet, ab.
In die Wurzeln strömt das Wasser über einen passiven Transport, die → Osmose. Diesen passiven Transport kennen Sie vom Kochen, wenn Sie Salz auf eine Salatgurke streuen. In diesem Fall tritt Wasser aus der Gurke aus. Bei der Wurzel funktioniert es andersherum, hier dringt das Wasser in die Wurzel ein. Bleibt noch zu klären, wie das Wasser an den Blättern verdunstet. In den Blättern sind sogenannte Spaltöffnungen. Diese kann man sich wie verschließbare Löcher in einer Folie vorstellen. Sind die Löcher geschlossen, findet kein Luftaustausch durch die Folie statt, bei geöffneten Löchern hingegen kann Wasser verdampfen. Wie viel Wasser über die Blätter verdampft, hängt also davon ab wie viele Spaltöffnungen am Blatt vorhanden und wie lange und zu welcher Tageszeit diese geöffnet sind. Pflanzen haben sich an unterschiedliche Lebensräume angepasst. Pflanzen, die in trockener Umgebung wachsen, versuchen die Verdunstung von Wasser zu reduzieren. Trockenpflanzen besitzen eher kleine oder eingerollte Blätter und die Spaltöffnungen sind eingesenkt. Schutz vor Wasserverlust bieten auch abgestorbene Haare, sowie die Fähigkeit Wasser im Gewebe zu speichern. Beispiele für Trockenpflanzen sind Kakteen, Lorbeerbaum, Oleander und Agave.
An Feuchtigkeit angepasste Pflanzen können dagegen großflächige Blätter ausbilden, deren Spaltöffnungen erhoben sind. Teilweise können solche Pflanzen sogar Wassertröpfchen abgeben. Beispiele hierfür sind einige Farne, Aronstab und die Sumpf-Dotterblume.

Stoff- und Energiewechsel

Pflanzen benötigt zum Wachstum verschiedene chemische Elemente dazu gehören Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sowie Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Kalium, Kalzium, Eisen, Magnesium und die Spurenelemente Mangan, Kupfer und Zinn. Die Mineralsalze (z. B. Phosphor- und Stickstoffsalze) werden anders als das Wasser aktiv über Trägerteilchen in die Wurzel aufgenommen, denn die Ionen sind zu groß, um passiv die Zellmembran zu durchdringen. Der Wasserstoff stammt aus dem aufgenommenen Wasser und Kohlenstoff und Sauerstoff werden über Spaltöffnungen der Blätter aufgenommen.

Tiere und Menschen nehmen mit der Nahrung organische Stoffe auf, zerteilen diese in ihre Bestandteile und bauen daraus körpereigene organische Stoffe auf (heterotrophe Ernährungsweise) → Ernährung. Pflanzen hingegen nehmen anorganische Stoffe wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und → Mineralstoffe auf und können daraus pflanzeneigene organische Stoffe aufbauen (autotrophe Ernährungsweise). Die dafür benötigte Energie stammt aus der Lichtenergie (Abbildung 2).

Abbildung 2: Übersicht Fotosynthese in der Pflanze

Der Prozess, bei dem in den Pflanzen Glukose (→ Kohlenhydrate) entsteht, wird als Fotosynthese bezeichnet. Dabei wird mithilfe der Lichtenergie aus Wasser und Kohlenstoffdioxid Glukose aufgebaut und Sauerstoff an die Umwelt abgegeben.

Summenformel

Aus der Glukose werden wiederum, zusammen mit den anderen Mineralstoffen (Stickstoff, Phosphor, Kalium etc.) die pflanzeneigenen organischen Stoffe wie Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate und Farbstoffe gebildet. Alle organischen Verbindungen, die nicht zum Wachstum oder für andere Lebensprozesse notwendig sind, werden zum Beispiel in Form von Stärke in Samen, Speicherorganen oder Vakuolen gespeichert. Zu den Speicherorganen gehören umgebildete Wurzeln. Aus verdickten Hauptwurzeln entstehen Rüben (Möhren, Zuckerrübe) und aus verdickten Sprossen werden Knollen (Kartoffeln, rote Beete, Radieschen).
Bei der Atmung wird der Prozess der Fotosynthese umgekehrt. Aus Glukose und Sauerstoff werden wieder Wasser und Kohlenstoffdioxid, das an die Umwelt abgegeben wird. Die bei der Atmung frei gewordene Energie kann zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse in der Pflanze genutzt werden. Das heißt, die Lichtenergie aus der Fotosynthese wurde in chemische Energie umgewandelt und kann später wieder zurückgewonnen werden. Die Kenntnis dieser Prozesse ist für die Lagerung von Lebensmitteln wichtig. Denn bei der Lagerung z. B. von Kartoffeln hören die Lebensprozesse nicht auf, was Sie auch daran sehen, dass Kartoffeln nach längerer Lagerung zu keimen beginnen. Um die Prozesse zu verlangsamen, hilft es die Temperatur abzusenken und die Kohlenstoffdioxidkonzentration zu erhöhen → Lebensmittel lagern.

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Quellen

Photosynthese. Lexikon der Biologie
Dr. Christa Pews-Hocke, Dr. Edeltraud Kemnitz (Herausgeber): Reihe Basiswissen Schule. Biologie. Berlin 2014

Ausführliche Quellenangaben