Wusstest Du, dass aus einem einzelnen Samen ein bis zu 100 Meter hoher Mammutbaum wachsen kann? Damit Pflanzen wachsen, überleben und sich entwickeln können, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Von essenzieller Bedeutung sind in diesem Zusammenhang sogenannte Wachstumsfaktoren.
Wachstumsfaktoren Biologie– Definition
Im weitesten Sinne versteht man in der Ökologie unter Wachstumsfaktoren äußere Einflüsse, Substanzen oder Moleküle, die das Wachstum und die Entwicklung von Organismen oder Zellen beeinflussen. Bei Pflanzen sind Wachstumsfaktoren überwiegend äußere Faktoren, die direkt oder indirekt auf eine Pflanze einwirken und notwendig für ihr Überleben, ihr Wachstum und ihre Entwicklung sind.
Wachstumsfaktoren Pflanzen
Zu den wichtigsten Faktoren für das Pflanzenwachstum zählen die folgenden abiotischen Umweltfaktoren:
- Licht
- Wärme
- Wasser
- Essenzielle Gase
- Nährstoffe
Abiotische Umweltfaktoren sind die nicht lebenden Komponenten eines Ökosystems (z. B. Temperatur). Wenn Du mehr über abiotische Umweltfaktoren lernen möchtest, klick Dich in die StudySmarter Erklärung zum Thema rein!
Wie genau optimale Umgebungsbedingungen für Pflanzen aussehen, unterscheidet sich von Pflanze zu Pflanze. Manche können auch unter widrigen Bedingungen, zum Beispiel am Straßenrand, wachsen. Für die meisten Pflanzen gilt jedoch, dass sie nicht lange überleben oder sich entwickeln können, wenn einer der Wachstumsfaktoren unzureichend vorhanden ist.
Pflanzenwachstum – Licht
Licht ist eine der wichtigsten Energiequellen für Pflanzen und wird hauptsächlich durch die Sonne bezogen. Pflanzen benötigen die energiegeladenen Lichtteilchen – auch Photonen genannt – zum Aufbau ihrer pflanzeneigenen Substanz.
Licht ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass Pflanzen Fotosynthese betreiben können. Vereinfacht kann gesagt werden, dass bei diesem Vorgang die elektromagnetische Energie des Lichts in chemische Energie umgewandelt wird. Dafür ist das in Pflanzen enthaltene Chlorophyll von entscheidender Bedeutung. Der Pflanzenfarbstoff verleiht einer Pflanze nicht nur ihre grüne Farbe, sondern absorbiert auch die einstrahlenden Photonen.
Unter Absorption versteht man in der Physik das Aufnehmen einer Welle oder einzelner Teilchen in einen Stoff.
Bei der Fotosynthese nutzt die Pflanze die Energie aus den Photonen, um Wasser und Kohlenstoffdioxid in Glucose und Sauerstoff umzuwandeln. Der Zucker Glucose dient als Energielieferant und ermöglicht so das Pflanzenwachstum. Beispielsweise können sich damit Blätter, Blüten, Früchte oder Wurzeln entwickeln.
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Ob eine Pflanze genügend Licht erhält, ist entscheidend dafür, ob sie die nötigen Ressourcen für ihr Wachstum bereitstellen kann. Die Fotosynthese-Aktivität steigt mit zunehmender Lichtintensität. Im Freiland erhalten Pflanzen in der Regel ausreichend Sonneneinstrahlung. Anders verhält es sich in geschlossenen Räumen und Zimmern. Dort ist der Wachstumsfaktor Licht häufig nicht ausreichend vorhanden.
Allerdings kann es andersherum auch problematisch sein, wenn Pflanzen zu viel Licht ausgesetzt sind. Ist die einstrahlende Lichtmenge zu hoch, können sich schädliche Stoffe in den Zellen der Pflanzen bilden. Das Chlorophyll kann zum Zellgift werden und die Eiweiße, Membranen und DNA in den Pflanzenzellen angreifen. Welche Lichtmenge optimal ist, variiert dabei zwischen verschiedenen Pflanzen.
Während beispielsweise Kakteen gut gedeihen, wenn sie viel Licht und direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, blühen Vergissmeinnicht auch im Schatten.
Neben der Intensität bzw. Menge des Lichts beeinflusst auch das Lichtspektrum (die Farbe des Lichts) das Pflanzenwachstum. Im Allgemeinen benötigen Pflanzen hauptsächlich blaues und rotes Licht. Diese Wellenlängen begünstigen die Fotosynthese, das Wachstum und die Entwicklung von Blüten und Früchten.
Wärme
Wie Licht, ist auch Wärme eine Form von Energie. Die Prozesse innerhalb von Pflanzen werden, wie die meisten chemischen Abläufe, von der Temperatur beeinflusst. Wärme kann sich auf das Pflanzenwachstum auswirken, indem sie die Stoffwechselprozesse beeinflusst, die zum Beispiel bei der Fotosynthese ablaufen.
Grundsätzlich gilt: Je wärmer es ist, desto schneller laufen die chemischen Prozesse innerhalb einer Pflanze ab. Und desto schneller wird Energie bereitgestellt, die die Pflanze für ihr Wachstum und ihre Entwicklung nutzen kann.
Ist die Umgebungstemperatur zu niedrig, werden Wachstumsprozesse abgebremst oder kommen ganz zum Erliegen. Zudem kann bei zu niedrigen Temperaturen unter null Grad Celsius die Wasseraufnahme beeinträchtigt werden, da Wasser bei 0 °C gefriert.
Jedoch ist wie auch beim Licht zu beachten, dass zu viel Wärme Schäden verursachen kann. Ist eine Pflanze sehr hohen Temperaturen über 45 Grad Celsius ausgesetzt, können lebenswichtige Proteine zerstört werden. Außerdem kann die Pflanze unter diesen Bedingungen viel Wasser verlieren.
Demnach setzen verschiedene Vorgänge in Pflanzen bestimmte Temperaturbereiche voraus. Unter- oder überschreitet die Umgebungstemperatur diese Werte, wird das Pflanzenwachstum gehemmt oder gänzlich gestoppt. Neben einer Mindest- und einer Höchsttemperatur, die für das Überleben gegeben sein muss, gibt es für jede Pflanze eine optimale Temperatur. Diese ist am günstigsten für das Wachstum und die Entwicklung. Das Minimum, Maximum und Optimum in Bezug auf die Temperatur variieren von Pflanze zu Pflanze.
Die Samen mancher Pflanzen benötigen einen Kältereiz, damit sie keimen. Dazu zählen beispielsweise der Bärlauch oder das Alpenveilchen.
Der Grund dafür ist, dass der Keim der Pflanze zu einer möglichst günstigen Jahreszeit aus dem Samen austreten soll. Würde dies im Herbst geschehen, wäre die junge Pflanze im Frost des Winters noch zu schwach, um zu überleben. Deshalb ist es wichtig, dass sie erst dann keimt, wenn die Temperaturen bereits sehr niedrig sind. Dann wird der Keim die Samenschale im Frühling verlassen, sodass die Pflanze in einer für sie passenderen Umgebungstemperatur wachsen kann.
Manche Pflanzen benötigen einen solchen Kältereiz auch für die Ausbildung ihrer Blüten. Das ist zum Beispiel bei Christrosen der Fall.
Wasser
Wasser ist in vielerlei Hinsicht notwendig für das Überleben von Pflanzen. Wie oben erwähnt stellt Wasser, gemeinsam mit Licht und Kohlenstoffdioxid, einen der Ausgangsstoffe für die Fotosynthese dar. Zudem ist Wasser eine Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des sogenannten Turgordrucks.
Unter Turgor oder Turgordruck versteht man den Druck innerhalb der Pflanzenzellen, der vom Zellsaft auf die Zellwand ausgeübt wird. Dieser Zellinnendruck sorgt dafür, dass die Pflanze aufrecht stehen kann.
Vielleicht ist Dir die folgende Situation schon einmal passiert: Du hast eine Pflanze zu lange nicht gegossen und bemerkst, dass ihre Blätter langsam schlaff werden und nach unten hängen. Wie oben beschrieben, liegt das am zu niedrigen Turgor – denn ohne genügend Wasser können Pflanzen nicht ausreichend stabilisiert werden.
Weiterhin ist Wasser essenziell dafür, dass Pflanzen Nährstoffe aufnehmen können. Einerseits dient Wasser als Lösungsmittel für die Nährstoffe aus dem Boden. Andererseits stellt es ein Transportmittel für die Nährstoffe außerhalb und innerhalb der Pflanze dar.
Wie bei allen Wachstumsfaktoren gilt auch bei Wasser, dass sowohl ein Unterschreiten als auch ein Überschreiten der optimalen Menge Schäden verursachen kann. Zu wenig Wasser führt zu Trockenstress. Wie oben erwähnt, können dadurch unter anderem die Fotosynthese und die Nährstoffaufnahme gehemmt werden. Außerdem kann die Pflanze vorschnell reifen oder verwelken.
Doch auch wenn Pflanzen einer zu hohen Wassermenge ausgesetzt sind, können sie verwelken. Eine Ursache dafür kann Staunässe im Wurzelbereich sein. Eine zu hohe Bodenfeuchte kann auch zum Vergilben oder Abwerfen der Blätter führen. Andererseits kann durch zu viel Wasser auch ein hoher Blattanteil entstehen, der die Standfestigkeit der Pflanze beeinträchtigt. Zudem verzögert ein Übermaß an Wasser die Reife. Sowohl zu viel als auch zu wenig Wasser kann Wurzelschäden oder Pilzkrankheiten mit sich bringen.
Auch hier gilt: Die optimale Wassermenge schwankt von Pflanze zu Pflanze. Sie ist abhängig davon, welcher Lichtmenge und Temperatur sie ausgesetzt ist und wie der Boden beschaffen ist. All diese Faktoren beeinflussen den Wasserverbrauch.
Essenzielle Gase
So wie Menschen den Sauerstoff aus der Luft zum Leben benötigen, enthält die Luft auch Gase, die für Pflanzen lebensnotwendig sind. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Daneben enthält sie in geringen Mengen unter anderem auch das Gas Kohlenstoffdioxid.
Kohlenstoffdioxid ist für Pflanzen von zentraler Bedeutung für die Fotosynthese. Sauerstoff benötigen sie zur Zellatmung und somit zur Energiegewinnung. Der restliche, nicht benötigte Sauerstoff, wird wieder von der Pflanze wieder in die Luft abgegeben.
Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid sind von hoher Bedeutung für das Überleben von Pflanzen. Durch einen Mangel an diesen essenziellen Gasen können Wachstumsprozesse stagnieren. Andererseits kann es unter anderem zu Wurzelfäulnis, Pilzbefall und das Ausfallen von Blättern kommen.
Nährstoffe
Neben den oben erwähnten Bausteinen für die Fotosynthese, werden noch weitere Nährstoffe für das Pflanzenwachstum benötigt. Im Allgemeinen sind Nährstoffe chemische Elemente oder Verbindungen, die Pflanzen aus der Umwelt aufnehmen. Diese sind wichtig für ihre Gesundheit und ihre Entwicklung. Du hast sicherlich schon einmal gehört, dass Pflanzen gedüngt werden, damit sie besser wachsen.
Als Düngung bezeichnet man das Zuführen von Nährstoffen, die Pflanzen nicht oder nicht ausreichend zur Verfügung haben.
Grundsätzlich kann zwischen Makro- und Mikronährstoffen unterschieden werden. Makronährstoffe werden von Pflanzen in größeren Mengen benötigt und werden demnach auch Hauptnährstoffe genannt. Mikronährstoffe sind solche, die Pflanzen nur in geringen Mengen oder in Spuren brauchen. Deshalb werden sie manchmal auch als Spurennährstoffe bezeichnet.
Die wichtigsten Makronährstoffe für das Pflanzenwachstum sind, neben den genannten Bausteinen für die Fotosynthese, Stickstoff, Phosphor und Kalium. Außerdem gehören Magnesium, Kalzium und Schwefel zu den relevantesten Hauptnährstoffen.
Bedeutsame Mikronährstoffe sind unter anderem Eisen, Mangan, Zink, Chlor, Kupfer, Bor, Molybdän und Nickel. Daneben gibt es aber auch viele weitere Spurennährstoffe, die wichtig für das Pflanzenwachstum sein können.
Sind notwendige Nährstoffe nicht ausreichend verfügbar, können Mangelerscheinungen auftreten.
Ein Mangel an Eisen oder Magnesium kann zu einer Gelbfärbung der Blätter (auch Chlorose genannt) führen.
Doch auch ein Überschuss an Nährstoffen durch Überdüngung kann Probleme mit sich bringen. Beispielsweise können sich die Blattränder und -spitzen braun verfärben.
Pflanzen nehmen Nährstoffe überwiegend über ihre Blätter aus der Luft und über ihre Wurzeln aus dem Boden auf. In der Regel befinden sich die Nährstoffe aus dem Boden in Wasser gelöst, welches die Pflanze über ihre Wurzelhaare aufnehmen kann.
Sogenannte Ertragsgesetze versuchen zu beschreiben, wie das Wachstum/der Ertrag von Pflanzen mit der Verfügbarkeit von Wachstumsfaktoren zusammenhängt. Besonders bedeutsam sind das Minimumgesetz, das Optimumgesetz und das Gesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs (Mitscherlich-Gesetz).
Das Minimumgesetz wurde von C. Sprengel im Jahr 1828 veröffentlicht und von J. von Liebig in erweiterter Form verbreitet. Es besagt, dass der Nährstoff, der verhältnismäßig in geringster Menge vorhanden ist (Minimumfaktor), das maximal mögliche Pflanzenwachstum begrenzt.
Selbst wenn andere Nährstoffe in größerer Menge vorhanden sind, kann damit der mangelnde Nährstoff nicht ersetzt werden. Später wurde das Minimumgesetz von A. Mayer (1869) so ergänzt, dass es nicht nur auf Nährstoffe angewendet werden kann, sondern für alle Wachstumsfaktoren gilt – also beispielsweise auch für Licht oder Wärme.
Bildlich kannst Du Dir das Minimumgesetz anhand der sogenannten "Minimum-Tonne" vorstellen: Die kürzeste Daube entscheidet darüber, wie voll die Tonne insgesamt werden kann.
Zunächst wurde das Minimumgesetz vom Optimumgesetz von E. Wollny (1877) und G. Liebscher (1895) abgelöst. Die zentrale Annahme davon lautet, dass eine Pflanze nur dann optimal wächst, wenn sie genau die benötigte Menge der notwendigen Wachstumsfaktoren erhält. Das bedeutet, dass nicht nur Unterversorgung, sondern auch Überdüngung das Wachstum der Pflanze begrenzen.
Das heute angenommene Gesetz zum Wachstum und Ertrag von Pflanzen stammt von A. Mitscherlich und wird als Gesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs bezeichnet. Auch Mitscherlich nahm an, dass Wachstumsfaktoren für eine optimale Entwicklung weder in zu geringer noch in zu hoher Menge vorliegen sollten.
Allerdings spezifizierte er, dass das Pflanzenwachstum nicht linear mit der Steigerung von Wachstumsfaktoren zunimmt, sondern logarithmisch. Konkret bedeutet das, dass beispielsweise doppelt so viel Dünger nicht doppelt so viel Wachstum bedeutet. Vielmehr verlangsamt sich das Pflanzenwachstum mit zunehmender Menge des jeweiligen Wachstumsfaktors. Überschreitet ein Wachstumsfaktor die optimale Menge, kann es zu einer Abnahme des Wachstums (sogenannte Ertragsdepression) kommen.
Wachstumsfaktoren Unterschiede
Der Begriff Wachstumsfaktoren wird in der Biologie in unterschiedlichen Kontexten genutzt. In dieser Erklärung konntest Du Dein Wissen zu Pflanzenwachstum vertiefen. Allerdings spielen Wachstumsfaktoren auch in anderen Bereichen der Biologie eine Rolle. Im Folgenden findest Du einige wichtige Abgrenzungen.
Wachstumsfaktoren Mikroorganismen
Mikroorganismen, auch Mikroben genannt, sind mikroskopisch kleine Lebewesen. Mit bloßem Auge kannst Du sie nicht sehen. Dazu gehören unter anderem Bakterien (z. B. Milchsäurebakterien), Mikroalgen und manche Pilze (z. B. Hefepilze). Wachstum ist bei Mikroorganismen in der Regel mit Vermehrung verbunden.
Bei Lebensmitteln kann eine schnelle Vermehrung von Mikroorganismen dazu führen, dass sie schneller verderben. Andersherum kann mit bestimmten Konservierungsmethoden das Wachstum abgebremst werden, sodass Lebensmittel länger haltbar bleiben.
Die bedeutsamsten Wachstumsfaktoren für die Vermehrung von Mikroorganismen sind:
- die Umgebungstemperatur
- die Verfügbarkeit von Nährstoffen, Sauerstoff und Wasser
- der pH-Wert der Umgebung
Temperatur
Wie bei Pflanzen, gibt es auch bei Mikroorganismen ein Temperaturminimum und -maximum, unter/über dem sie nicht wachsen und überleben können. Das Temperaturoptimum ist der Bereich, in dem die Vermehrung mit maximaler Geschwindigkeit abläuft. Dabei schwanken Minimum, Maximum und Optimum stark zwischen verschieden Mikroorganismen.
Man kann zwischen psychotrophen (kälteliebenden), mesophilen (mittlere Temperatur bevorzugenden) und thermophilen (wärmeliebenden) Mikroorganismen unterscheiden. Der Bereich, in dem die meisten Mikroorganismen überleben, liegt zwischen 10 und 50 Grad Celsius.
Nährstoffe
Ob und wie schnell Mikroorganismen sich vermehren, hängt davon ab, ob die dafür notwendigen Nährstoffe in geeigneter Menge vorliegen. Hauptsächlich benötigen Mikroorganismen Proteine, Kohlenhydrate, Salze und Vitamine.
Sauerstoff
Anders als Menschen brauchen nicht alle Mikroorganismen Sauerstoff. Es gibt sogar Mikroorganismen, die man durch Sauerstoffzugabe töten kann. In Abhängigkeit ihres Sauerstoffgebrauchs wird zwischen obligaten Aerobionten (benötigen Sauerstoff), obligaten Anaerobionten (überleben nur ohne Sauerstoff) und fakultativen Anaerobionten (überleben mit und ohne Sauerstoff) unterschieden.
Wasser
Im Gegensatz zu Sauerstoff benötigen alle Mikroorganismen Wasser, um lebensfähig zu sein und sich zu entwickeln. Beispielsweise können Nährstoffe von Mikroorganismen aufgenommen werden, wenn sie in Wasser gelöst sind. Wird Wasser entzogen, kommt der Stoffwechsel von Mikroorganismen zum Erliegen und die Vermehrung wird gestoppt.
Entscheidend ist jedoch nicht der Gesamtwassergehalt der Umgebung, sondern der Anteil des Wassers, der den Mikroorganismen frei zur Verfügung steht. Man spricht dabei auch von aktivem Wasser. Ein Maß für die Verfügbarkeit von aktivem Wasser ist der aw-Wert ( = activity of water, Wasseraktivität).
pH-Wert
Ähnlich wie bei der Temperatur gibt es auch beim pH-Wert ein Optimum, in dem sich Mikroorganismen am besten vermehren können. Der pH-Toleranzbereich beschreibt ein pH-Minimum und -Maximum, in dem sie überleben können.
Während sich die meisten Hefen und Schimmelpilze eher im sauren Milieu im pH-Bereich < 4 - 6 vermehren, überleben Darmbakterien eher im neutralen oder alkalischen Bereich bei pH-Werten zwischen 7 - 9.
Wachstumsfaktoren bei Menschen
Während man bei Pflanzen und Mikroorganismen unter dem Begriff Wachstumsfaktoren überwiegend Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Nährstoffverfügbarkeit versteht, sind damit beim Menschen im Allgemeinen Moleküle im Körper gemeint, die Signale von einer Zelle zur nächsten übertragen. Dabei handelt es sich in der Regel um Proteine, selten auch um Steroide.
Neben ihrer Funktion, Informationen zwischen Zellen zu übertragen, sind Wachstumsfaktoren bei Menschen für verschiedene Prozesse innerhalb einer Zelle zuständig. Sie regulieren beispielsweise die Zellteilung oder das Zellwachstum und nehmen damit Einfluss auf die Entwicklung des menschlichen Organismus. Damit weisen sie in ihrer Funktion eine Parallele zu Wachstumsfaktoren bei Pflanzen auf.
Wenn Du mehr über die Entwicklung menschlicher Zellen lernen möchtest, dann schau Dir gern das Thema Zytologie genauer an!
Pflanzenwachstum – Das Wichtigste
- Wachstumsfaktoren sind äußere Einflüsse, Substanzen oder Moleküle, die am Wachstum und an der Entwicklung von Organismen oder Zellen beteiligt sind.
- Zu den wichtigsten Faktoren für das Pflanzenwachstum zählen die abiotischen Umweltfaktoren Licht, Wärme, Wasser, essenzielle Gase und Nährstoffe
- Wird die benötigte Menge an Wachstumsfaktoren unter- oder überschritten, kann die Fotosynthese-Aktivität der Pflanze beeinträchtigt werden.
- Außerdem können durch einen Mangel oder Überschuss an Wachstumsfaktoren Schäden an der Pflanze verursacht werden.
- Bei Mikroorganismen sind die wichtigsten Wachstumsfaktoren die Umgebungstemperatur, die Verfügbarkeit von Nährstoffen, Sauerstoff und Wasser sowie der pH-Wert der Umgebung.
- Wachstum geht bei Mikroorganismen Wachstum in der Regel mit Vermehrung einher.
- Beim Menschen versteht man unter Wachstumsfaktoren keine Umgebungsbedingungen, sondern Moleküle im Körper gemeint, die Signale von einer Zelle zur nächsten übertragen.
- Wachstumsfaktoren bei Menschen sind in der Regel Proteine und steuern Zellprozesse wie die Zellteilung oder das Zellwachstum.
Nachweise
- www.plantura-garden: Wichtige Wachstumsfaktoren für Pflanzen. (13.06.2022)
- Mitscherlich (1920). Das Liebigsche Gesetz vom Minimum und das Wirkungsgesetz der Wachstumsfaktoren. Naturwissenschaften.
- Pichhardt (1998). Wachstumsvoraussetzungen für Mikroorganismen - Beeinflussung der Vermehrung. Springer.
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