Ernährung und Photosynthese bei Pflanzen

Pflanzenernährung und Photosynthese

Die autotrophe Ernährung der Pflanzen erfolgt durch Photosynthese, bei der anorganische Stoffe unter Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle in organische Stoffe umgewandelt werden. Die Pflanzenernährung gliedert sich in drei Phasen:

• Ernährung: Nährstoffaufnahme, Transport (Xylem) von anorganischen Nährstoffen (Rohsaft) zu den Zellen, Bildung organischer Substanzen durch Photosynthese und Transport (Phloem) der produzierten organischen Nährstoffe (Saft) in die gesamte Pflanze.
• Metabolismus: Stoffwechselvorgänge in den Zellen, bei denen Nährstoffe für den Katabolismus (Energiegewinnung) oder den Anabolismus (Synthese neuer Moleküle) genutzt werden.
• Ausscheidung: Beseitigung der bei Stoffwechselprozessen entstandenen Abfallprodukte.

Kormophyten besitzen spezialisierte Strukturen für die Ernährung, die einen evolutionären Vorteil bieten.

Nährstoffaufnahme

Wasser und Mineralstoffe gelangen durch Wurzelhaare in die Pflanze. Beim Durchqueren der Epidermis gibt es zwei Wege, um das Xylem zu erreichen:

• Symplastischer Weg: Wasser und mineralische Ionen wandern durch das Zytoplasma der Zellen, verbunden durch Plasmodesmen, bis sie das Xylem erreichen.
• Apoplastischer Weg: Wasser und einige Ionen zirkulieren in den Zwischenräumen der Zellwände, bis sie die Endodermis erreichen und dort in den symplastischen Weg übergehen.

Im Xylem ist die Konzentration der Ionen höher als in den umgebenden Zellen, was durch Osmose und aktiven Transport den Wassertransport ermöglicht.

Transport des Rohsaftes

Der Rohsaft steigt durch die Xylemgefäße von den Wurzeln zu den Blättern. Die Kohäsions-Spannungs-Theorie erklärt diesen Prozess:

• Kohäsion: Anziehungskräfte zwischen Wassermolekülen durch Wasserstoffbrückenbindungen, verstärkt durch Adhäsion an den Gefäßwänden.
• Spannung: Transpiration (Wasserverlust) durch Sonnenenergie erzeugt einen Unterdruck im Blatt, der das Wasser nach oben zieht.

Gasaustausch

CO2 und O2 gelangen durch Spaltöffnungen und Interzellularräume in die Pflanze. CO2 wird zu den Chloroplasten geleitet, O2 zu den Mitochondrien. Der Gasaustausch wird durch Spaltöffnungen reguliert, deren Öffnungszustand durch den Turgordruck der Schließzellen gesteuert wird.

Photosynthese

Chlorophyll in den Chloroplasten ist für die Photosynthese verantwortlich. Sonnenlicht wird eingefangen, um Wasser zu spalten und aus CO2 organische Verbindungen (Glukose) zu bilden.

Lichtreaktion

Energie wird in chemische Energie umgewandelt und O2 freigesetzt:

• Reduktionskraft: Lichtenergie wird genutzt, um Elektronen zu transportieren, die zur Reduktion von NADP+ zu NADPH + H+ führen.
• Chemische Energie: Ein Teil der Energie wird in ATP gespeichert.
• Photolyse: Wasser wird durch Lichtenergie gespalten, wobei Elektronen freigesetzt werden.

Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus)

ATP und NADPH + H+ werden genutzt, um CO2 in energiereiche Glukide umzuwandeln.

Globale Gleichung: 6 CO2 + 12 H2O + Licht → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Für die Bildung komplexer organischer Moleküle werden zusätzlich Stickstoff, Schwefel und Phosphor aus Mineralien benötigt.