Pflanzen sind genau wie Tiere auf den Gasaustausch mit ihrer Umwelt angewiesen. Sie betreiben unter Lichteinwirkung Photosynthese, wobei sie Kohlenstoffdioxid und Wasser zu dem energiereichen Einfachzuckern Glucose umwandeln. Dabei entsteht Sauerstoff als Abfallprodukt. Spaltöffnungen oder Stomata bieten Pflanzen die Möglichkeit Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen sowie Wasser und Sauerstoff abzugeben.
Stomata – Definition
Stomata (Spaltöffnungen) nennt man die Poren in den Blättern von Pflanzen, die für die Regulation des Wasserhaushaltes durch Verdunstung (Transpiration) und den Gasaustausch verantwortlich sind.
Stomata kommen in Landpflanzen vor, wobei sie in den meisten Fällen in der unteren Epidermis der Blätter vorkommen. Eine Ausnahme bilden dabei Schwimmblattpflanzen wie Seerosen, da die Spaltöffnungen dort auf der Blattoberseite liegen. Bei Gräsern und Kräutern kann man sie auf beiden Seiten entdecken.
Die Lage der Spaltöffnungen auf der Unterseite der meisten Blätter schützt die Pflanze vor ungewollter Transpiration.
Spaltöffnung – Aufbau
Bei Stomata bzw. der Spaltöffnung handelt es sich um kleine Poren in der unteren Epidermis von Pflanzenblättern. Zwei längliche Schließzellen umgeben dabei einen Spalt in der Cuticula und Epidermis, sodass die Öffnung kontrolliert geöffnet und geschlossen werden kann. In den Schließzellen befinden sich im Gegensatz zu den restlichen Zellen der Epidermis eine Vielzahl an Chloroplasten. Spaltöffnungen sind außerdem von weiteren Zellen umgeben, die man Nebenzellen nennt. Dieses ganze Konstrukt wird Spaltöffnungsapparat genannt.
Abbildung 1: Spaltöffnung einer Tomatenpflanze
Wie Du auf der Abbildung sehen kannst, wird die Öffnung (Porus) von zwei bohnenförmigen Schließzellen umgeben. Diese können sich je nach Notwendigkeit öffnen oder schließen. Wenn ein geschlossenes Stoma verhindert, dass die Pflanze zu viel Wasser abgibt, ist dann auch kein Gasaustausch und somit keine Photosynthese möglich.
Spaltöffnung Pflanzen
Je nachdem, wie viele Nebenzellen eine Spaltöffnung hat und wie groß bzw. klein diese sind, kann sie einer bestimmten Spaltöffnungsart zugeordnet werden. Dazu zählen
Spaltöffnung – Funktion
Spaltöffnungen haben die Funktion, den Gasaustausch und die Transpiration, zu ermöglichen. Somit geben sie Sauerstoff und Wasser an die Umwelt ab und nehmen dafür Kohlenstoffdioxid auf.
Der Kohlenstoff wird für den Ablauf der Photosynthese benötigt, während gleichzeitig Sauerstoff als ein Nebenprodukt entsteht. Der durch die Transpiration abgegebene Wasserdampf dient einerseits der Abkühlung der Pflanze, andererseits sorgt der dabei entstehende Transpirationssog dafür, dass Wasser schnell und ohne viel Energie zu verbrauchen, durch die Pflanze transportiert werden kann.
Unter einem Transpirationssog versteht man das Nachfließen von Wasser von unten nach oben in kleinen Kapillargefäßen. Dieser Sog wird durch Verdunstung an der Spitze der Kapillare, den Druck der Atmosphäre und die Kohäsionskraft (Wasserstoff-Brückenbindungen) des Wassers ausgelöst.
Die Öffnung und Schließung der Stomata sind von verschiedenen Faktoren abhängig, die Du in den nächsten beiden Kapiteln kennenlernen wirst.
Öffnung der Stomata
Die Öffnung der Stomata wird durch die Lichtstärke und die Lichtqualität, sowie der CO₂-Konzentration beeinflusst. Wenn nun ein Stoma geöffnet werden soll, erfolgt dies nach folgendem Ablauf:
- Das Membranpotential sinkt, indem Protonen (positiv geladene Teilchen) mithilfe der Energie von ATP aus den Schließzellen in die Nebenzellen gepumpt werden.
- Dadurch werden spannungsabhängige Kalium-Ionenkanäle geöffnet und um das Potenzialgefälle der Nebenzellen auszugleichen, strömen positiv geladene Kalium-Ionen in die Schließzellen.
- Danach strömen negativ geladene Teilchen (zum Beispiel Chlorid-Ionen) in die Schließzellen, um erneut ein Potenzialgefälle auszugleichen.
- In den Schließzellen herrscht nun eine höhere Teilchenkonzentration als in den Nebenzellen. Dadurch strömt Wasser entlang einem osmotischen Gefälle in die Zellen.
- Durch die Wasseraufnahme verändert sich die Form der Schließzellen und sie öffnen sich.
Eine Öffnung der Stomata geht also immer mit der Erhöhung des Turgor in den Schließzellen einher.
Der Turgor ist der Druck in einer Pflanzenzelle, der durch die Menge an Flüssigkeit in der Zelle variiert. Er wird also über die Aufnahme oder Abgabe von Flüssigkeit erhöht oder erniedrigt.
Was war noch einmal Osmose? In unserem Artikel auf StudySmarter kannst Du nachlesen, worum es bei der Osmose geht und wie sie funktioniert!
Schließzellen Funktion
Natürlich müssen Stomata auch wieder geschlossen werden. Dies geschieht bei Lichtmangel, Wassermangel oder wenn genug CO₂ vorhanden ist.
- Es werden keine Protonen mehr mithilfe von ATP-Energie aus den Schließzellen gepumpt.
- Um einen Ladungsausgleich zu erzeugen, strömen die Protonen aus den Nebenzellen wieder in die Schließzellen ein.
- Durch das Konzentrationsgefälle strömen die negativ geladenen Ionen aus den Schließzellen wieder in die Nebenzellen.
- Auch das Wasser aus den Schließzellen wird aufgrund der Teilchenkonzentration wieder in die Nebenzellen transportiert.
- Da das Wasser für die Formveränderung verantwortlich war, verlieren die Schließzellen nun ihre Spannung und schließen sich.
Eine Schließung der Stomata geht immer mit einer Verringerung des Turgor in den Schließzellen einher.
Stomata - Das Wichtigste
- Stomata nennt man die Poren in den Blättern von Pflanzen, die für die Regulation des Wasserhaushaltes durch Verdunstung (Transpiration) und den Gasaustausch verantwortlich sind.
- Die Pore wird zusammen mit den Schließzellen und Nebenzellen Spaltöffnungsapparat genannt.
- Die Öffnung und Schließung von Stomata basiert auf dem Prinzip des osmotisch bedingten Konzentrationsausgleichs durch das einfließen und abfließen von Wasser in die Schließzellen. Dabei wird der Turgor der Schließzellen erhöht oder verringert.
- Der Öffnungsmechanismus wird durch eine hohe Photosyntheseaktivität begünstigt, während der Schließmechanismus durch Kohlenstoffdioxid- oder Wassermangel herbeigeführt wird.
Nachweise
- Hess (2004), Allgemeine Botanik, UTB.
- Abb. 1: Spaltöffnung an einem Blatt einer Tomate (https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Tomato_leaf_stomate_1.jpg) ist gemeinfrei.
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