So beeinflusst das Licht den Bau der Blätter von Pflanzen
Das Licht der Sonne dient nicht nur dem Sehen, indem Lichtstrahlen vom Objekt reflektiert werden, zum Auge gelangen und dort auf der Netzhaut ausgebreitet werden. Vor allem ist Licht eine Form von Energie, welche man als Solarenergie bezeichnet. Je nach Wellenlänge des Lichts unterscheidet man zwischen thermischer Energie (Wärmeenergie) oder Lichtenergie. Für die Pflanzen, welche das Sonnenlicht nutzen, um daraus Energie zu schöpfen – ist Licht in einer ganz bestimmten Wellenlänge von Bedeutung, da ihre Chloroplasten daraus die Energieträger Adenosintriphosphat (Kurz ATP) und Adenosindiphosphat (kurz ADP) herstellen können.
- Licht als abiotischer Faktor
- Die Photosynthese als lichtabhängiger Stoffwechselprozess der Pflanzen
- Der Bau der Blätter von Pflanzen ist aufs Licht angepasst
- Die Regulation des Blattwachstums durch Licht
- Molekulare Mechanismen der Lichtanpassung
- Vergleich zwischen C3- und C4-Pflanzen
- Fazit
- Literatur
Licht als abiotischer Faktor
In der Ökologie gliedert man Umweltfaktoren, indem überprüft wird, ob diese lebendigen oder nicht lebendigen Ursprungs sind. Da Licht keine Zeichen des Lebens aufweist, wird es zu den abiotischen Faktoren gezählt. Andere Umweltfaktoren, die lebender Natur sind, werden als biotische Faktoren bezeichnet.
Weiterhin ist Licht an vielen Prozessen, die mit dem Leben einhergehen, beteiligt. Beispiele hierfür sind die Synthese des Vitamins D, der circadiane Rhythmus bei höher entwickelten Tieren, die Einleitung der Winterruhephasen bei einigen Säugetieren und schlussendlich die Bildung und Formgebung von Pflanzenblättern. Die Blätter von Pflanzen werden maßgeblich durch die Einwirkung des Lichts geprägt. Sie unterscheiden sich in Form und Farbe, je nachdem wie viel Licht auf sie einwirkt.
Die Photosynthese als lichtabhängiger Stoffwechselprozess der Pflanzen
Damit Pflanzen Wachstum zeigen und Organe wie z.B. Blätter ausbilden können, benötigen sie Stoffwechselwege, die diese Wachstumsprozesse ermöglichen.
Bei der Photosynthese bauen die Pflanzen Glukose auf, wodurch sie Energie gewinnen
Da Pflanzen ihre „Nahrung“ nicht wie Tiere von außen aufnehmen können, müssen sie die notwendigen Moleküle selbst synthetisieren. Das geschieht während der Photosynthese. Hierbei bildet die Pflanze Glucose, indem sie unter Lichteinfluss, Wasser mit Kohlenstoffdioxid reagieren lässt.
Die Reaktionsgleichung sieht dabei folgendermaßen aus: 6 H2O (Wasser) + 6 CO2 (Kohlenstoffdioxid) wird zu C6H12O6 (Glucose) + 6 O2 (Sauerstoff). Dieser Prozess findet in der Regel in den Blättern statt. Es existieren jedoch teilweise auch andere Zellen, die Chloroplasten enthalten und somit zur Photosynthese befähigt sind.
Für die Photosynthese zuständig sind die Chloroplasten, welche sich in den Pflanzenzellen befinden. Diese Zellorganellen sind in der Lage, das Sonnenlicht in einer ganz bestimmten Wellenlänge zu absorbieren. Durch die Absorption gelangt die Wärmeenergie in die Pflanze, welche diese Energie dann in den eigenen Stoffwechsel investiert.
Pflanzenzelle mit Chloroplasten und Mitochondrien für Energiegewinn und Verwertung
Durch die Absorbierung in den Chloroplasten kann die Pflanze aus den Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser einen körpereigenen Betriebsstoff (Glucose) aufbauen. Der Sauerstoff ist nur ein Nebenprodukt für die Pflanze und wird größtenteils ausgesondert, stellt aber für den Stoffwechsel der Tiere eine Grundlage dar (siehe Atmung).
Photosynthese und Zellatmung stellen einen Kreislauf dar, aus dem aus Sonnenlicht der Energieträger ATP entsteht
Wie geht’s weiter?
Die Pflanze benötigt den Energieträger ATP, welchen sie gezielt in Zellen einsetzen kann – sobald dort ein Energiebedarf vorliegt. Die Glucose wird in den Mitochondrien der Pflanzenzelle abgebaut und die daraus gewonnene Energie wird in ATP gespeichert. Und diese ATP kann in Zellzellen eingesetzt werden. Diese chemischen Moleküle besitzen Phosphatbindungen, welche bei jedem Energieeinsatz abgebaut werden. Jedes Mal wenn irgendwo in der Pflanze etwas Energie gebraucht wird, investiert diese das ATP – baut eine Phosphatgruppe ab und reduziert ATP zu ADP. Später kann sie ADP wieder zu ATP aufbauen.
ATP besteht aus Phosphatgruppen. Durch die Abspaltung einer Phosphatgruppen wird Energie freigesetzt, ATP wird dann ADP zu reduziert. ADP ist jetzt energieärmer, kann aber wieder zu ATP aufgebaut werden.
Der Bau der Blätter von Pflanzen ist aufs Licht angepasst
Allgemein lässt sich ein Pflanzenblatt in folgende Bereiche gliedern: Der Blattgrund, eventuell vorliegende Nebenblätter (Stipulae), der Blattstiel (Petiolus) und die Blattspreite (Lamina).
Grundlegende Struktur eines Pflanzenblatts mit Stiel, Spreite und Nebenblättern
Innerhalb der Lamina lassen sich verschiedene Gewebearten unterscheiden: Auf der regulären Oberseite liegt die Cuticula auf, die von der oberen Epidermis in Richtung der anderen Gewebeschichten begrenzt wird. Unter der Epidermis befindet sich das Palisadengewebe, das sehr dicht gepackt ist.
Die verschiedenen Gewebestrukturen in einem Pflanzenblatt
Inmitten des folgenden Gewebes, dem Schwammgewebe, befinden sich die Leitbündel, die für den Wasser- und Nährstofftransport zuständig sind. Das Leitbündelsystem auf der Blattoberseite wird als Xylem bezeichnet. Und die Leitbündel, welche der Unterseite zugewandt sind, werden Phloem genannt. Unterhalb des Schwammgewebes befindet sich die untere Epidermis, in der sich Schließzellen und Spaltöffnungen (Stoma) befinden, die zur Regulation des Wasserhaushalts dienen.
Über die Stoma (Spaltöffnungen) der Blätter lässt die Pflanze überschüssiges Wasser verdunsten, erhöht so den Innendruck – wodurch das Wasser mit den darin befindlichen Nährstoffen durch die Leitungsbahnen bis hoch in die Blätter gepresst wird. Außerdem wird über die Transpiration der Wasserhaushalt reguliert.
Weiterhin existieren verschiedene Blattformen, je nachdem an welchem Standort die jeweilige Pflanze wächst und um welche Art es sich handelt. Die meisten Blätter sind sogenannte bifaziale Blätter, bei denen eine klare Trennung zwischen der Ober- und Unterseite erkennbar wird. Die Oberseite ist die lichtzugewandte Seite, die mit einer Wachsschicht (Cuticula) überzogen ist, die die Pflanze vor zu starker Sonneneinstrahlung und einer zu großen Verdunstung schützt.
Darüber hinaus gibt es sogenannte invers bifaziale Blätter, wie sie z.B. der Bärlauch aufweist. Invers ist der Aufbau dahingehend, da das Schwammparenchym, das bei bifazialen Blättern auf der Unterseite anzutreffen ist, auf der Oberseite liegt.
Die Nadeln der Nadelbäume sind sogenannte äquifaziale Blätter, da das Palisadenparenchym das Schwammparenchym komplett umschließt, wodurch das Schwammparenchym inmitten des Blattes liegt und keiner Seite klar zuzuordnen ist.
Bei Binsen handelt es sich um unifaziale Blätter, die nur eine Seite besitzen. Hierbei hat sich die gesamte Blattunterseite röhrenförmig nach außen gebildet, wodurch die Blattoberseite rückentwickelt wurde.
Die Regulation des Blattwachstums durch Licht
Da das Wachstum der Pflanze, und somit auch das Wachstum der Blätter, durch Licht induziert wird, kann die Abwesenheit des Lichts zu einigen sichtbaren Änderungen an der Pflanze führen. Einerseits haben sich im Laufe der Evolution Anpassungen an die Standortbedingungen gebildet, wie sie beim Bärlauch in Form der invers bifazialen Blätter zu finden sind.
Doch auch bei anderen Laubbäumen lassen sich Unterschiede zwischen den Sonnen- und Schattenblättern finden. Diese anatomischen Unterschiede erklären auch, weshalb einige Pflanzen mit weniger Licht auskommen als andere und wieso bei einigen Pflanzen zu viel Licht sogar schädlich ist.
Unterschiede zwischen Sonnen- und Schattenblatt sind rot hervorgerufen
Im Allgemeinen können Pflanzen nur eine gewisse Menge an Lichtenergie für ihren Stoffwechsel nutzen. Der limitierende Punkt wird als Lichtkompensationspunkt bezeichnet. Um die Nutzung des eingestrahlten Sonnenlichts als Energieträger zu optimieren, können Pflanzen die Anzahl der Thylakoide (Orte der Lichtreaktion der Photosynthese) variieren.
Bei Schattenblättern ist das Verhältnis von Chlorophyll a zu Chlorophyll b verringert und es sind generell mehr Pigmentmoleküle mit den Elektronentransportketten der Photosynthese verbunden. Durch die Änderung des Chlorophyll-a-b-Verhältnisses wird es Schattenblättern ermöglicht, effizienter das langwellige, rote Licht zu absorbieren, das durch die dichten Baumkronen hindurchdringt.
Bei einer intensiveren Sonneneinstrahlung wird das Palisadengewebe in den Blättern in einer mehrschichtigen Form gebildet. Bei Schattenblättern liegt das Palisadengewebe jedoch in einer einzelnen Schicht vor. Wird das Palisadengewebe wie z.B. bei Sonnenblättern vermehrt gebildet, wird das Schwammparenchym reduziert.
Aufgrund der erhöhten Wärmestrahlung, die mit dem Sonnenlicht einhergeht, sind viele Pflanzen, die an sonnigen Standorten wachsen, von einem erhöhten Trockenheitsrisiko betroffen (mit Ausnahme der Tropen). Somit hat das Licht indirekt weitere, temperaturgegebene Effekte, die von Pflanzen auf verschiedene Arten toleriert werden müssen.
Die Sonnenblätter weisen beispielsweise eine schmalere und dickere Form auf und sind darüber hinaus mit einer dickeren Cuticula umgeben als Schattenblätter. Schattenblätter sind hingegen großflächig und dünn, um eine möglichst hohe Photosyntheserate bei geringem Lichteinfall zu ermöglichen. Sie benötigen darüber hinaus keine allzu dicke Cuticula, da die Temperaturen und die damit einhergehende Transpiration nicht so hoch ist wie bei Sonnenblättern.
Existiert eine Form der Behaarung auf den Blättern der Pflanze, so bestehen diese bei Sonnenblättern aus abgestorbenem Gewebe, während sie bei Schattenblättern aus lebendigem Gewebe bestehen. Aufgrund der Vertrocknungsgefahr an sonnigen und warmen Standorten hat sich auch die Morphologie der Wurzelsysteme bei Sonnen- und Schattenpflanzen im Laufe der Evolution verändert.
Die Sonnenpflanzen bilden ein breit gefächertes, sehr tiefreichendes Wurzelnetzwerk aus, während die Schattenpflanzen lediglich Wurzeln ausbilden, die flach unter der Erdoberfläche liegen. Beispiele für Sonnenpflanzen sind verschiedene Getreidearten wie Mais oder Weizen, während der Bärlauch ein typischer Vertreter der Schattenpflanzen ist. Es lassen sich insbesondere auf molekularer Ebene noch weitere Unterschiede feststellen, die insbesondere bei der Unterscheidung zwischen C3- und C4-Pflanzen deutlich werden.
Molekulare Mechanismen der Lichtanpassung
Bei erhöhter Lichtstrahlung wird automatisch auch die Transpirationsrate der Pflanzen erhöht. Damit die Pflanze jedoch nicht austrocknet, kann sie mithilfe ihrer Schließzellen die einzelnen Stomata (Spaltöffnungen) in den Blättern schließen. Außerdem verändern sich die Ionenkonzentrationen von Kalium und Calcium in Abhängigkeit der Lichteinstrahlung.
Aufgrund der erhöhten Photosyntheserate bei Sonnenblättern wird mehr Adenosintriphosphat (ATP) und NADPH+H synthetisiert. Beide Moleküle sind universelle Energieträger und Elektronendonatoren. Bei geringeren Lichteinflüssen erreichen Schattenpflanzen den Lichtkompensationspunkt früher, weshalb sie Sonnenpflanzen in dieser Hinsicht überlegen sind.
Struktur des Blattgewebes bei C3 und C4 Pflanzen
Der niedrigere Lichtkompensationspunkt bei Schattenpflanzen bedeutet, dass sie weniger Lichtquanten benötigen, um Sauerstoff und Kohlenhydrate zu synthetisieren. Das scheint zunächst ein Vorteil gegenüber den Sonnenpflanzen zu sein. Dem ist jedoch nicht ausschließlich so. Der erhöhte Lichtkompensationspunkt der Sonnenpflanzen hat zur Folge, dass ihnen mehr Lichtquanten zur Synthese ihrer Betriebsstoffe zur Verfügung stehen. Und da die Sonnenblätter bereits vermehrter Lichtstrahlung ausgesetzt sind, ist ihre Photosyntheserate dementsprechend höher.
Vergleich zwischen C3- und C4-Pflanzen
Im Bezug auf die Lichtausbeute sind C4-Pflanzen den C3-Pflanzen überlegen. Der Grund dafür ist, dass nicht das Licht, sondern die CO2-Konzentration der limitierende Faktor der Photosyntheserate ist. Die C4-Pflanzen binden Kohlenstoffdioxid effizienter, da sie in ihren sog. Mesophyllzellen zunächst einen C4-Körper (bspw. Apfelsäure) bilden. Daher haben C4-Pflanzen auch ihren Namen. Dieser C4-Körper dient den Pflanzen bei erhöhter Licht- und Wärmestrahlung als CO2-Reserve, da bei hohen Temperaturen ihre Stomata geschlossen sind, um eine totale Austrocknung zu vermeiden.
Fazit
Licht als abiotischer Faktor erzeugt Effekte auf sämtliche Lebensformen. Im Tierreich reguliert Licht insbesondere die Zeitwahrnehmung. Bei Pflanzen existiert auch ein circadianer Rhythmus, der mit vielen physiologischen Veränderungen einhergeht (bspw. die Drehung des Sonnenblumenkopfes während der Nacht).
Darüber hinaus beeinflusst das Licht morphologische Merkmale der Pflanzen, indem andere Blattformen gebildet werden, oder strukturelle Änderungen innerhalb der Blattgewebe dazu führen, dass bei geringerer Lichtintensität eine Photosyntheseleistung stattfinden kann. Weiterhin gibt es Pflanzen, die in spezieller Form an ein Leben an trockene und lichtreiche Standorte angepasst sind, indem sie zur CO2-Fixierung einen C4-Körper in Form von Apfelsäure bilden, um bei geschlossenen Stomata weiter Photosynthese betreiben zu können.
Literatur
- Esther Gebhardt (Autor), Nutzpflanzen. Vergleich zwischen C3- und C4-Pflanzen, ISBN: 978-3668984967*
- Steffen Guido Fleischhauer (Autor), Roland Spiegelberger (Autor), Claudia Gassner (Autor), Blatt für Blatt: Über 800 Pflanzen nach Blattformen und Blüten einfach bestimmen. Pflanzen erkennen leicht gemacht – das praktische Bestimmungsbuch für das ganze Jahr, ISBN: 978-3039021758*
