Pflanzenernährung: Photosynthese, Atmung und Nährstoffaufnahme

Pflanzenernährung: Grundlagen und Prozesse

Pflanzen benötigen Energie für ihre lebenswichtigen Funktionen. Diese Energie gewinnen sie durch die Synthese organischer Moleküle.

Entwicklung und Autotrophe

• Pflanzen entwickeln Größe und Form neuer Organe.
• Neben Pflanzen gibt es viele andere autotrophe Lebewesen wie Protoctisten, Moneren und Algen.

Ernährungsphasen

Die Ernährung gliedert sich in zwei Hauptteile:

• Synthese organischer Stoffe (Photosynthese): Der Prozess, bei dem Lichtenergie genutzt wird, um anorganische Moleküle in organische umzuwandeln.
• Nutzung der organischen Substanz: Der Prozess, bei dem organische Substanz durch Zellatmung abgebaut wird, wodurch Energie (ATP) freigesetzt wird.

Nährstoffarten

Es werden zwei Arten von Nährstoffen unterschieden:

• Makronährstoffe: Elemente, die in größeren Mengen benötigt werden, z. B. C, H, O, N, K, Ca, Mg, P und S.
• Mikronährstoffe (Spurenelemente): Elemente, die nur in sehr geringen Mengen benötigt werden, z. B. Fe, B, Zn, Cu, Al, Mo, Na, Cl, Si, Mn, Co etc.

Wasseraufnahme und -transport

Pflanzen verbrauchen viel Wasser, da sie etwa 98 % des absorbierten Wassers verlieren. Pflanzen in ariden Klimazonen besitzen spezielle Bedeckungen, die den Gasaustausch durch die Spaltöffnungen regulieren und so Wasserverlust verhindern.

Mechanismen des anorganischen Ionentransports

Für anorganische Verbindungen gibt es zwei Transportmechanismen (die Penetrationsrate hängt von Faktoren wie Temperatur und Druck ab):

• Transport passiv (Diffusion).
• Transport aktiv.

Wasser tritt durch die absorbierenden Zellen und die Zwischenschichten in das Xylem ein.

Wasserpotenzial und -bewegung

• Das Wasserpotenzial ist die kombinierte Wirkung der gelösten Konzentration und des Drucks. Bei Pflanzen bewegt sich Wasser von einem Bereich mit höherem Wasserpotenzial zu einem Bereich mit niedrigerem Wasserpotenzial.
• Transpiration (Schweiß): Die Verdunstung von Wasser an den Blättern erzeugt einen Sog, der das Wasser von den Wurzeln nach oben zieht (Wasserfluss). Die Spaltöffnungen sind für diesen Wasserverlust verantwortlich und regulieren den Fluss durch Zellschlüsse.
• Kapillarität: Durch die Kohäsionskraft der Wassermoleküle bildet sich in den Tracheengefäßen mit Öffnungen von weniger als einem Millimeter ein kontinuierlicher Wasseranstieg.

Die Pflanze speichert etwa 1 % der Sonnenenergie in Form von chemischer Energie, die in den kovalenten Bindungen organischer Verbindungen wie Kohlenhydraten gespeichert ist.

Photosynthese: Die Energieumwandlung

Die Photosynthese benötigt Kohlendioxid, Wasser und Mineralsalze. Die Produkte sind Sauerstoff und organische Verbindungen. Die Photosynthese findet in spezialisierten Organellen statt, den Chloroplasten, die mit Chlorophyll gefüllt sind. Bei Lichteinfall wird das Chlorophyll angeregt, was Licht- und chemische Reaktionen auslöst. Die Chloroplastenmembranen enthalten Thylakoide, in denen sich das Chlorophyll und die Fotosysteme befinden.

Phasen der Photosynthese

Die Photosynthese besteht aus zwei Teilen:

Lichtphase

• Alle Moleküle, die für die organischen C-, H-, O-Verbindungen und Nukleinsäuren sowie andere Elemente notwendig sind, werden hier vorbereitet.
• Diese Phase findet in der Thylakoidmembran statt und umfasst zwei Prozesse:
  • Photolyse des Wassers: Wassermoleküle werden gespalten in H und O.
  • Bildung von ATP und NADPH.

Dunkelphase (Calvin-Zyklus)

Im Stoma wird Wasserstoff aus NADPH und ATP genutzt, um Kohlendioxid zu reduzieren und Kohlenstoff zu fixieren. Dies ist der Calvin-Zyklus.

Zellatmung und Stoffwechsel

Bei der Zellatmung werden die durch Photosynthese gewonnenen Kohlenhydrate (oft als Stärke gespeichert) oxidiert und in CO2 und Wasser umgewandelt, wobei Energie freigesetzt wird. Die Pflanze führt Photosynthese und Zellatmung tagsüber durch, während nachts hauptsächlich die Zellatmung stattfindet, um die täglichen Aufgaben zu erfüllen.

Ernährungsweisen jenseits der Autotrophie

Pflanzen können auch durch Symbiose und Parasitismus Nährstoffe gewinnen.

Simbiosen

Bei der Symbiose ziehen zwei Organismen gegenseitigen Nutzen:

• Rhizobium (Pflanze + Protoctist/Bakterium): Bei Leguminosen heften sich Bodenbakterien an die Wurzeln. Die Bakterien dringen in die Zellen ein und fixieren atmosphärischen Stickstoff, der für die Produktion organischer Materie notwendig ist.
• Mykorrhiza (Wurzel + Pilz): Der Pilz übernimmt die Funktion eines erweiterten Wurzelsystems und liefert der Pflanze Rohstoffe aus dem Boden.

Heterotrophe Ernährungsweisen

• Karnivore Pflanzen (Fleischfresser): Dies sind autotrophe Wesen, die jedoch in nährstoffarmen Böden leben. Ihre Blätter sind darauf spezialisiert, Insekten und kleine Organismen zur Nährstoffgewinnung zu fangen.
• Parasitische Pflanzen: Sie leben auf Kosten anderer Pflanzen und entziehen ihnen lebenswichtige Säfte. Man unterscheidet:
  • Holoparasiten: Sie betreiben keine Photosynthese und entziehen der Wirtspflanze den gesamten Saft (z. B. Cuscuta/Seide).
  • Hemiparasiten: Sie besitzen Chlorophyll und entziehen der Wirtspflanze nur Wasser und Mineralsalze (z. B. Mistel).