Pflanzenphysiologie: Ernährung, Transport und Gasaustausch

Ernährung und Stoffwechselprozesse bei Pflanzen

Die Ernährung von Pflanzen umfasst komplexe Prozesse wie die Aufnahme von Nährstoffen, Verdauungsvorgänge, den Gasaustausch, den Transport von Substanzen, den Metabolismus sowie die Ausscheidung von Abfallstoffen.

Thallophyten und Kormophyten

Man unterscheidet zwischen Thallophyten (wie Algen) und Kormophyten. Kormophyten besitzen eine differenzierte Struktur: Blätter für die Photosynthese sowie Stängel für den Umlauf von Stoffen durch das Xylem und Phloem. In den Wurzeln tritt Wasser durch Osmose ein, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Mineralien werden hingegen durch aktiven Transport aufgenommen, da dies oft gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgt und Energie erfordert.

Struktur der Wurzel

Die Wurzel ist in verschiedene Schichten unterteilt:

• Epidermis: Die äußerste Schicht der jungen Wurzel.
• Cortex (Rinde): Besteht aus Rindenparenchym, welches die Zirkulation von Gasen fördert.
• Endodermis: Die innerste Schicht der Rinde, die den Durchgang von Wasser und gelösten Salzen reguliert.
• Perizykel: Liegt innerhalb der Endodermis und bringt die Seitenwurzeln hervor.
• Stele (Zentralzylinder): Besteht aus dem Phloem (Siebröhren) und dem Xylem (Holzgefäße). Die Wurzel verankert die Pflanze im Boden und dient als Speicher.

Transport des Rohsafts

Der Transport des Rohsafts erfolgt über den Mechanismus der Transpirationssog-Kohäsions-Spannung:

• Wurzeldruck: Die Zellen der Wurzel weisen eine höhere Konzentration gelöster Stoffe auf als das Bodenwasser. Durch Osmose dringt Wasser ein und erzeugt einen Druck, der den Saft im Stamm aufsteigen lässt.
• Transpiration (Schwitzen): In den Blättern verdunstet Wasser. Dieser Wasserverlust erzeugt eine Saugkraft, die Wasser aus den Wurzeln durch das Xylem nach oben zieht.
• Kohäsion und Adhäsion: Wassermoleküle sind durch Wasserstoffbrückenbindungen (Kohäsion) stark miteinander verbunden. Die Adhäsion der Moleküle an den Wänden der Holzgefäße ermöglicht zudem den Aufstieg durch Kapillarwirkung.

Gasaustausch bei Pflanzen

Der Gasaustausch findet über verschiedene Wege statt:

• Stomata (Spaltöffnungen): Sie sind der wichtigste Weg für den Gasaustausch.
• Wurzelhaare: Sie dienen als Eintrittspforte für Gase, die im Bodenwasser gelöst sind.
• Lentizellen: Öffnungen in den Wänden verholzter Stämme, die etwa ein Drittel des Gaseintritts ausmachen.

Nachts führen Pflanzen die Zellatmung durch, wobei sich CO2 im Parenchym anreichert. Tagsüber öffnen sich die Spaltöffnungen durch den Einstrom von Kalium-Ionen (K+) und nachfolgendes Wasser (Osmose), um CO2 für die Photosynthese aufzunehmen.

Lichtaufnahme und Photosynthese

Im Inneren des Blattes befinden sich das Palisaden- und Schwammparenchym, welche für die Photosynthese und den Gasaustausch zuständig sind. Das Leitgewebe aus Xylem und Phloem bildet ein nervenartiges Netzwerk über das gesamte Blatt. Die Photosynthese wandelt Lichtenergie in chemische Energie um, wobei anorganische Stoffe in organische Verbindungen transformiert werden und Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht.

Transport des assimilierten Safts (Phloemtransport)

1. An der Quelle (Source) wird der erarbeitete Saft durch aktiven Transport in die Begleitzellen und von dort über Plasmodesmen in die Siebröhren geleitet.
2. Durch die erhöhte Zuckerkonzentration in den Siebzellen strömt Wasser aus dem Xylem per Osmose nach. Dies erhöht den hydrostatischen Druck im Inneren der Siebröhren, wodurch der Saft in Richtung der Senken (Sinks) gedrückt wird.
3. An den Senken verlassen die gelösten Stoffe (Zucker) die Siebröhren durch aktiven Transport. Infolgedessen verlässt auch das Wasser die Röhren per Osmose, wodurch der Druck in den Gefäßen der Senken sinkt.