Photosynthese und Nährstoffaufnahme: Der Prozess der Pflanzenernährung

Die Ernährung der Pflanzen: Grundlagen und Phasen

Die Ernährung der Pflanzen ist der Prozess, durch den sie ihre eigenen organischen Stoffe herstellen und lebenswichtige Funktionen ausführen. Für diesen Prozess benötigen sie Sonnenenergie und 16 essenzielle Elemente (15 aus dem Boden, 1 aus der Atmosphäre).

1. Phase: Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen (Rohsaft)

Die erste Phase umfasst die Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen, die zusammen den Rohsaft bilden. Dieser wird über die Wurzelhaare aufgenommen und zu den Xylemgefäßen (Holzgefäßen) transportiert.

Mechanismen der Aufnahme

1. Das Wasser dringt durch Osmose in die Wurzel ein. Mineralsalze werden aktiv durch Carrier-Proteine transportiert.
2. Wasser und Mineralsalze dringen in die Interzellularen der Rinde ein. Um die Endodermis zu erreichen, müssen sie den symplastischen Weg nehmen, da das Casparysche Band (bestehend aus Suberin) die interzellulären Räume blockiert. Von hier aus gelangen sie in die Tracheen.

2. Phase: Transport des Rohsaftes im Xylem

Der Transport von Wasser und Mineralsalzen (Rohsaft) zu den Blättern erfolgt passiv (ohne Energieaufwand) durch zwei Hauptprozesse:

Theorien zum Wassertransport

1. Wurzeldruck-Theorie: Durch Überdruck in der Wurzel wird Wasser nach oben gedrückt (der Druck ist in der Wurzel höher als in den Blättern). Ein Beweis hierfür ist die Guttation (Tröpfchenbildung am Blattrand).
2. Kohäsions-Tensions-Theorie: Die Transpiration (Verdunstung von Wasser als Dampf durch die Spaltöffnungen) erzeugt einen Unterdruck. Die Wassermoleküle bilden durch Wasserstoffbrücken eine zusammenhängende „Kette“, die nach oben gesaugt wird. Die Kapillarität unterstützt diesen passiven Transport.

3. Phase: Gasaustausch über Stomata und Lentizellen

Spaltöffnungen (Stomata)

Stomata sind das Ergebnis von zwei bohnenförmigen Schließzellen mit einer zentralen Öffnung, der Ostiole. Sie befinden sich sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Blätter, wobei sie auf der Unterseite meist zahlreicher sind.

• $ ext{CO}_2$ gelangt in die Interzellularen, durch die Zellen und erreicht die Chloroplasten. $ ext{O}_2$ geht den umgekehrten Weg.
• Nicht das gesamte $ ext{CO}_2$ für die Photosynthese stammt aus der Atmosphäre; ein Teil wird durch die Zellatmung erzeugt.
• Die Stomata öffnen und schließen sich je nach Bedarf der Pflanze. Wenn $ ext{CO}_2$ benötigt wird, öffnen sie sich, was jedoch zu Wasserverlust durch Transpiration führt. Bei Wassermangel schließen sie sich, gesteuert durch das Hormon Abscisinsäure (ABA).

Einflussfaktoren auf die Stomata-Öffnung

• Licht: Aktiviert die Photosynthese und erhöht den $ ext{CO}_2$-Verbrauch, wodurch sich die Stomata öffnen.
• Temperatur: Eine erhöhte Temperatur fördert die Zellatmung und erhöht dadurch die $ ext{CO}_2$-Konzentration. Dies kann zum Schließen der Stomata führen, um Wasserverlust durch Transpiration zu vermeiden.

Lentizellen

Lentizellen sind Erhebungen (Protuiberanzen) in der Epidermis von verholzten Stämmen und Ästen. Sie bestehen aus Zellen, die sehr locker miteinander verbunden sind, wodurch große Interzellularen entstehen, die ebenfalls den Gasaustausch ermöglichen.

4. Phase: Photosynthese – Herstellung organischer Stoffe

Die Photosynthese ist der Prozess, bei dem anorganische Materialien mithilfe von Sonnenenergie in organische Stoffe umgewandelt werden. Sie findet in den Chloroplasten statt. Die chemische Reaktion lautet:

$$6 ext{CO}_2 + 6 ext{H}_2 ext{O} ightarrow ext{C}_6 ext{H}_{12} ext{O}_6 + 6 ext{O}_2$$

Die Lichtreaktion

Die Lichtreaktion findet in den Thylakoiden der Chloroplasten statt. Sonnenenergie trifft auf Chlorophyll-Moleküle in den Photosystemen I und II. Die Elektronen im Chlorophyll werden angeregt und auf ein höheres Energieniveau gehoben. Diese Elektronen werden über die Elektronentransportkette weitergegeben. Die dabei freigesetzte potenzielle Energie wird von der ATP-Synthase genutzt, um ATP herzustellen. Der letzte Elektronenakzeptor ist $ ext{NADP}^+$, das zu $ ext{NADPH} + ext{H}^+$ reduziert wird. Wasser wird gespalten, um die verlorenen Elektronen des Chlorophylls zu ersetzen. Dabei entstehen Protonen für $ ext{NADP}^+$ und Sauerstoff ($ ext{O}_2$), der in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Die Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus)

Die Dunkelreaktion (korrekter: lichtunabhängige Reaktion) findet im Stroma der Chloroplasten statt und wird als Calvin-Zyklus bezeichnet. Hierbei wird die in der Lichtreaktion gewonnene Energie (ATP und NADPH) verbraucht, um $ ext{CO}_2$ zu fixieren und Zucker zu synthetisieren. Für die Synthese eines $ ext{C}_6 ext{H}_{12} ext{O}_6$-Moleküls werden 18 ATP und 12 NADPH benötigt.

Die $ ext{CO}_2$-Fixierung erfordert das Enzym RuBisCO, das als das häufigste Protein der Erde gilt.

Klassifizierung von Pflanzen nach $ ext{CO}_2$-Fixierung

Abhängig von der ersten stabilen organischen Verbindung, die im Stoffwechselweg entsteht, werden Pflanzen in $ ext{C}_3$-, $ ext{C}_4$- und $ ext{CAM}$-Pflanzen unterteilt:

• C3-Pflanzen (ca. 89%): Dazu gehören alle Baumarten, Weizen, Gerste. Sie sind an mildes Klima angepasst.
• C4-Pflanzen (ca. 1%): Beispiele sind Mais und Zuckerrohr.
• CAM-Pflanzen (ca. 10%): Dazu zählen Kakteen. Sie sind an trockene (Wüsten-) Klimazonen angepasst.