Warum Pflanzen Gase austauschen müssen
Wie alle lebenden Organismen müssen Pflanzen Gase mit ihrer Umgebung austauschen. Für die Fotosynthese benötigen Pflanzen Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft und geben Sauerstoff (O₂) als Nebenprodukt ab. Für die Zellatmung (die in allen Pflanzenzellen jederzeit stattfindet) benötigen sie Sauerstoff und geben Kohlendioxid ab — genau umgekehrt.
Tagsüber verläuft die Fotosynthese in der Regel schneller als die Zellatmung, sodass der Nettoeffekt ist, dass Pflanzen CO₂ aufnehmen und O₂ abgeben. Nachts findet nur noch Zellatmung statt, sodass Pflanzen O₂ aufnehmen und CO₂ abgeben.
Stomata: Die Gasaustauchporen
Der Gasaustausch in Blättern findet hauptsächlich durch Stomata (Einzahl: Stoma) statt. Das sind mikroskopisch kleine Poren oder Öffnungen, die sich hauptsächlich auf der Unterseite von Blättern befinden. Jedes Stoma ist von einem Paar gebogener Zellen namens Schließzellen umgeben.
Die Schließzellen kontrollieren die Größe der Öffnung:
- Wenn Schließzellen mit Wasser gefüllt (turgeszent) sind, biegen sie sich auseinander und das Stoma öffnet sich.
- Wenn Schließzellen Wasser verlieren, werden sie schlaff und das Stoma schließt sich.
Dies ermöglicht der Pflanze, den Gasaustausch und, ganz wichtig, den Wasserverlust zu regulieren.
Ein einzelnes Blatt kann bis zu 300.000 Stomata pro Quadratzentimeter haben. Die meisten befinden sich auf der Unterseite, um den Wasserverlust zu reduzieren, da die Oberseite direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist und mehr Wasser verdunsten würde, wenn die Stomata dort wären.
Wasserdampf und Transpiration
Wenn sich Stomata öffnen, um CO₂ hineinzulassen, entweicht auch Wasserdampf aus den feuchten Zellen im Blattinneren. Dieser Wasserverlust durch Dampf wird als Transpiration bezeichnet. Pflanzen verlieren auf diese Weise eine überraschende Menge Wasser — ein großer Baum kann täglich Hunderte Liter Wasser transpirieren.
Transpiration hat Vorteile:
- Sie schafft einen Transpirationsstrom — einen Fluss von Wasser und gelösten Mineralien nach oben durch die Xylemsegmente der Pflanze.
- Sie kühlt die Blattoberfläche ab (ähnlich wie Schwitzen bei Tieren).
Wenn Wasser knapp ist, schließen Schließzellen die Stomata, um den Wasserverlust zu reduzieren, obwohl dies auch die CO₂-Aufnahme verringert und die Fotosynthese verlangsamt.
Ein häufiges Missverständnis: Pflanzen „atmen" NICHT so wie Tiere. Pflanzen haben keine Lungen oder ein Atemsystem. Der Gasaustausch erfolgt durch Diffusion durch Stomata — es ist kein aktives Pumpen beteiligt.
Gasaustausch in anderen Pflanzenteilen
Blätter sind der Hauptort des Gasaustauschs, aber andere Pflanzenteile tauschen ebenfalls Gase aus:
- Stängel — Holzige Stängel haben kleine Poren namens Lentizellen, durch die Gasaustausch stattfindet.
- Wurzeln — Wurzelzellen betreiben Zellatmung und tauschen Gase mit Lufttaschen im Boden durch ihre Oberflächen aus.
Das Gleichgewicht zwischen Fotosynthese und Zellatmung
Bei einem bestimmten Lichtniveau, dem Lichtkompensationspunkt, entspricht die Rate der Fotosynthese genau der Rate der Zellatmung — es findet kein netto Gasaustausch statt. Unterhalb dieses Niveaus verbraucht die Pflanze mehr Sauerstoff als sie produziert.
Praxisbezug: Zimmerpflanze welkt am heißen Nachmittag
An einem heißen, sonnigen Tag schließen die Schließzellen der Stomata deiner Zimmerpflanze, um Wasserverlust zu verhindern. Du siehst die Pflanze am frühen Nachmittag hängen (welken) — selbst wenn die Erde feucht ist. Die Stomata haben sich geschlossen, um die Pflanze vor Austrocknung zu schützen, wodurch gleichzeitig die Fotosynthese verlangsamt wird, weil kein CO₂ mehr eintreten kann.
Praxisbezug: CO₂-Aufnahme eines Waldes
In einem dichten Wald nehmen die kollektiven Stomata von Millionen Blättern enorme Mengen CO₂ aus der Luft auf. Messungen ergaben, dass ein einzelner ausgewachsener Eichenbaum etwa 22 kg CO₂ pro Jahr durch seine Stomata aufnimmt — entsprechend ca. 90 km Autofahrt. Wälder sind deshalb wichtige CO₂-Senken im globalen Klimasystem.
Praxisbezug: Sauerstoffproduktion im Aquarium
Aquarienbesitzer setzen häufig Wasserpflanzen (z. B. Elodea) in ihre Becken ein. Tagsüber öffnen diese Pflanzen ihre Poren und geben Sauerstoffbläschen ins Wasser ab, die die Fische zum Atmen benötigen. Nachts kehrt der Prozess sich um — Pflanzen und Fische konkurrieren um gelösten Sauerstoff.
Übungsaufgaben
Was sind Schließzellen und welche Rolle spielen sie?
Antwort anzeigen
Warum schließen Pflanzen ihre Stomata bei Trockenheit, und welche Folgen hat das für die Fotosynthese?