Atmung bei Pflanzen: Der vollständige Prozess-Leitfaden

Einleitung

Die meisten Menschen denken bei Pflanzen an Photosynthese. Aber dieser Leitfaden „Atmung bei Pflanzen: Der vollständige Prozess-Leitfaden" behandelt ihren oft übersehenen Partner. Wissenschaftler veröffentlichen 3 Arbeiten über Photosynthese für jede einzelne über die Atmung bei Pflanzen. Diese Lücke hat Gärtner im Unklaren darüber gelassen, wie ihre Pflanzen sich Tag und Nacht mit Energie versorgen.

Ich habe jahrelang Pflanzenbiologie unterrichtet, bevor mir auffiel, wie wenig die Menschen über zelluläre Atmung wissen. Sie lernen, dass Pflanzen Sauerstoff produzieren, und denken, das sei die ganze Geschichte. Die Wahrheit ist, dass die Pflanzenatmung etwa 60 Petagramm Kohlenstoff pro Jahr freisetzt. Diese Zahl ist 6-mal höher als alle menschlichen Emissionen zusammen. Es hat mich schockiert, als ich die Daten zum ersten Mal in einer Fachzeitschrift las.

Was unterscheidet diesen Prozess von der Photosynthese? Photosynthese funktioniert nur, wenn Licht auf die Blätter trifft. Aber die Atmung läuft 24 Stunden am Tag in jeder lebenden Zelle. Ihre Zimmerpflanzen atmen, während Sie schlafen. Ihr Gartengemüse verbrennt die ganze Nacht über Brennstoff. Dieser konstante Pflanzen-Energiestoffwechsel treibt das Wachstum auch an, wenn die Sonne untergeht.

Dieser Leitfaden unterteilt den Prozess in drei klare Phasen, die in jeder Zelle ablaufen. Sie werden lernen, wie Pflanzen Glukose in nutzbare Energie umwandeln. Die drei Schritte sind Glykolyse, Krebs-Zyklus und Elektronentransportkette. Sie werden auch sehen, wo dies stattfindet und warum es für Ihren Garten wichtig ist. Diese Grundlagen helfen Ihnen, bessere Entscheidungen über Bewässerung, Bodenpflege und Temperaturkontrolle zu treffen.

Die 3 Phasen der Pflanzenatmung

Stellen Sie sich die Pflanzenatmung als eine Fabrik mit 3 Stationen an einem Fließband vor. Jede Station nimmt das Produkt der vorherigen und fügt mehr Wert hinzu. Glukose tritt am Anfang ein. ATP-Produktion findet in jeder Phase statt. Die drei Phasen sind Glykolyse, Krebs-Zyklus und Elektronentransportkette.

Die Glykolyse findet zuerst in der Zellflüssigkeit außerhalb der Mitochondrien statt. Diese Phase spaltet eine Glukose in zwei kleinere Teile namens Pyruvat. Der Prozess erzeugt 2 ATP-Moleküle. Er setzt auch Elektronen mit hoher Energie frei. Diese Elektronen werden weitergegeben, um spätere Phasen anzutreiben. Glykolyse funktioniert mit oder ohne Sauerstoff.

Der Krebs-Zyklus übernimmt als Nächstes innerhalb der Mitochondrien. Sie könnten ihn auch als Zitronensäurezyklus kennen. Hier wird das Pyruvat weiter abgebaut und Kohlendioxid als Abfallprodukt freigesetzt. Diese Phase fängt mehr Elektronen ein und produziert 2 weitere ATP. Die meiste Energie steckt noch in diesen eingefangenen Elektronen und wartet auf die letzte Phase.

Die Elektronentransportkette beendet die Arbeit an der inneren Membran der Mitochondrien. Elektronen fließen durch Proteine, die wie winzige Wasserräder wirken. Ihr Lehrer könnte diesen Schritt oxidative Phosphorylierung nennen, aber Sie können ihn sich einfach als die große Energieausbeute vorstellen. Die meisten der 23 bis 24 ATP stammen aus dieser letzten Phase. Sauerstoff fängt die verbrauchten Elektronen am Ende ab und verwandelt sie in Wasser.

Die meisten Lehrbücher behaupten immer noch, dass Zellen 36 bis 38 ATP pro Glukose produzieren. Moderne Forschung zeigt, dass die tatsächliche Zahl näher bei 27 bis 28 ATP liegt. Pflanzen können auch einen alternativen Stoffwechselweg nutzen, der die Ausbeute um 15% bis 31% mehr reduziert. Dieser Weg hilft Pflanzen, mit Stress umzugehen, kostet sie aber Energie. Ich habe jahrelang die alten Zahlen unterrichtet, bevor die aktualisierte Forschung herauskam.

Aerobe vs. anaerobe Atmung

Ihre Pflanzen können je nach Umgebung auf zwei verschiedene Arten atmen. Aerobe Atmung ist wie eine vollständige Mahlzeit, die jedes bisschen Energie aus Ihrer Nahrung herausholt. Anaerobe Atmung ist eher wie ein schneller Snack, der die meisten Nährstoffe verschwendet. Der Hauptunterschied ist die Sauerstoffverfügbarkeit im Boden um Ihre Pflanzenwurzeln.

Ich habe einmal eine Reihe Tomaten so stark übergossen, dass die Wurzeln tagelang in durchnässtem Boden saßen. Die Pflanzen wurden gelb und schwach, obwohl sie genug Wasser hatten. Durchnässter Boden hat fast keinen Sauerstoff für die Wurzeln. Meine Tomaten wechselten zum anaeroben Stoffwechselweg und hatten zu wenig Energie. Dieser Fehler hat mir gezeigt, warum die Energieeffizienz von Pflanzen so wichtig ist.

Gärung in Pflanzen funktioniert als Backup-System, wenn der Sauerstoff ausgeht. Ihre Pflanzenzellen produzieren während dieses Prozesses Ethanol anstelle der normalen Abfallprodukte. Einige Pflanzen haben sich angepasst, um Überschwemmungen zu überleben, indem sie diesen Stoffwechselweg für kurze Zeit nutzen. Reis verträgt nasse Wurzeln besser als die meisten Gemüsesorten in Ihrem Garten. Aber selbst Reis kann nicht zu lange nur von Gärung leben.

Wie Pflanzen Gase austauschen

Ihre Lungen pumpen Luft ein und aus zum Atmen. Pflanzen funktionieren auf eine ganz andere Weise. Der Gasaustausch bei Pflanzen erfolgt durch passive Diffusion über winzige Öffnungen und dünne Zellwände. Das bedeutet, dass Oberfläche und Feuchtigkeitsniveaus viel für die Fähigkeit Ihrer Pflanzen ausmachen, Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid abzugeben.

Forschung des US Forest Service zeigt, dass etwa die Hälfte der gesamten Pflanzenatmung von den Blättern kommt. Der Rest findet in Stängeln, Wurzeln und anderen lebenden Geweben statt. Jeder Teil Ihrer Pflanze hat seine eigene Art, die Gase zu bekommen, die er braucht, um die Atmung am Laufen zu halten. Schließzellen an Blättern kontrollieren, wann Stomata sich öffnen und schließen, basierend auf Licht, Feuchtigkeit und Wasserniveau in der Pflanze.

Ich habe auf die harte Tour etwas über die Atmung in Wurzeln gelernt, als ich die Erde um einen neuen Strauch herum zu fest verdichtete. Die Wurzeln konnten nicht genug Sauerstoff durch die dichte Erde bekommen. Ihre Pflanzen brauchen lockere, luftige Erde, damit sowohl die Atmung in Blättern als auch die Atmung in Wurzeln gut funktionieren können. Stomata und Lentizellen kümmern sich um die oberirdischen Teile, während Wurzelhaare die Arbeit unterirdisch erledigen.

Warum Atmung für das Wachstum wichtig ist

Stellen Sie sich die Atmung als Stromrechnung für Ihre Pflanzenfabrik vor. Photosynthese baut Glukose aus Sonnenlicht und Luft auf. Aber Ihre Pflanze muss einen Teil dieser Glukose ausgeben, nur um das Licht anzulassen und die Maschinen am Laufen zu halten. Die Bedeutung der Atmung zeigt sich in jedem Teil des Wachstums und Überlebens Ihrer Pflanzen.

Hier ist eine Zahl, die mich überrascht hat, als ich die Forschung zum ersten Mal las. Pflanzen senden etwa 50% des Kohlenstoffs, den sie durch Photosynthese fixieren, direkt durch Atmung zurück. Das klingt nach viel Verschwendung. Aber diese Energie hilft Ihrer Pflanze, größer zu werden und mehr Gewicht zuzulegen. Dieses Wachstum nennt man Biomasseakkumulation. Es hilft auch bei der Nährstoffaufnahme und treibt die Stressreaktion an. Ohne sie könnte Ihre Pflanze keine neuen Zellen hinzufügen oder Krankheiten bekämpfen.

Junge, wachsende Gewebe brauchen viel mehr Energie als reife Teile Ihrer Pflanze. Ein Keimling oder neuer Trieb hat Zellen, die sich schnell teilen und ausdehnen. Jede neue Zelle braucht ATP, um ihre Wände zu bauen, DNA zu kopieren und Proteine herzustellen. Deshalb läuft die Pflanzenwachstumsatmung im Frühjahr auf Hochtouren, wenn alles aufwacht. Reife Blätter, die aufgehört haben zu wachsen, brauchen weniger Energie für die Grunderhaltung.

Ich habe mich früher gefragt, warum meine Setzlinge wochenlang nach dem Umpflanzen schlapp und schwach waren. Jetzt kenne ich die Antwort. Wenn Sie eine Pflanze ausgraben, beschädigen Sie viele ihrer Wurzeln. Die Pflanze muss diese Wurzeln schnell nachwachsen lassen, was einen enormen Energieschub erfordert. Aber mit weniger Wurzeln kann die Pflanze nicht so viel Wasser oder Nährstoffe aufnehmen. Diese Energiekrise ist das, was wir Transplantationsschock nennen.

Sie können Ihren Pflanzen helfen, indem Sie wissen, wann der Atmungsbedarf in die Höhe schnellt. Wasserstress, Hitzewellen und Schädlingsbefall lösen alle einen hohen Stressreaktionsbedarf aus. Ihre Pflanze verbrennt Glukose schnell, um Schäden zu reparieren und sich an neue Bedingungen anzupassen. Gesunde Pflanzen mit guten Energiereserven bewältigen diese Herausforderungen besser als gestresste oder ausgehungerte.

Faktoren, die die Atmungsrate beeinflussen

Viele Faktoren, die die Pflanzenatmung beeinflussen, kontrollieren, wie schnell Ihre Pflanzen Energie verbrauchen. Einige kommen aus dem Inneren der Pflanze selbst. Andere hängen von der Umwelt ab. Diese Faktoren helfen zu erklären, warum Pflanzen sich so verhalten, wie sie es tun.

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Atmung folgt einer Regel namens Q10. Die Atmungsrate Ihrer Pflanze verdoppelt sich ungefähr pro 10°C Anstieg im normalen Bereich. Das erklärt, warum Produkte in der Sommerhitze schneller verderben. Kälte verlangsamt diesen Prozess in Ihrem Kühlschrank. Ich behalte diese Regel im Kopf, wenn ich Tomaten an heißen Tagen ernte. Ich bringe sie schnell in kühlen Schatten, um ihren Energieverbrauch zu verlangsamen.

Zwei weitere Faktoren stechen in meinen Jahren des Gärtnerns hervor. Die Sauerstoffverfügbarkeit in Ihrem Boden entscheidet, ob Wurzeln gut atmen können. Ihre Pflanze braucht auch Substratverfügbarkeit, was nur ein Fachbegriff für genügend Glukose-Brennstoff ist. Trockenheit unterbricht die Glukoseversorgung, während Überschwemmung den Sauerstoff abschneidet. Halten Sie Ihren Boden feucht, aber nicht durchnässt für die beste Atmungsrate.

Atmung und Klimawandel

Die Pflanzenatmung spielt eine große Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, an den die meisten Menschen nie denken. Pflanzen setzen etwa 60 Petagramm Kohlenstoff jedes Jahr frei. Das nennen wir Kohlenstofffreisetzung durch Atmung. Diese Zahl ist etwa 6-mal höher als alle menschlichen Emissionen. Das macht das Ökosystem-Kohlenstoffbudget zu einem wichtigen Teil des Klimawandel-Puzzles.

Ich habe zum ersten Mal in einer Forschungsarbeit von diesen Zahlen erfahren. Sie haben verändert, wie ich über meinen Garten denke. Der gesamte Kohlenstoffaustausch erreicht etwa 120 Gigatonnen pro Jahr. Diese Zahl umfasst sowohl die Kohlenstoffabgabe als auch die Kohlenstoffaufnahme. Allein Nutzpflanzen fügen etwa 8 Gigatonnen CO2 pro Jahr hinzu. Das sind große Zahlen, die sich schnell summieren.

Hier ist der Punkt, wo der Klimawandel eine Rückkopplungsschleife erzeugt. Höhere Temperaturen beschleunigen die Atmungsraten, wie wir bei der Q10-Regel gesehen haben. Wenn der Planet wärmer wird, atmen Pflanzen schneller und setzen mehr Kohlenstoff frei. Dieser zusätzliche Kohlenstoff kann mehr Wärme einfangen, was den Planeten noch wärmer macht. Wissenschaftler befürchten, dass dies den Klimawandel schlimmer machen könnte, als aktuelle Modelle vorhersagen.

Forschung von PMC zeigt etwas anderes, das Experten überrascht hat. Viele dachten, Pflanzen würden weniger atmen, wenn sie unter Bedingungen mit erhöhtem CO2-Effekt wachsen. Aber die Daten zeigen, dass die Atmungsraten etwa gleich bleiben, auch bei mehr CO2 in der Luft. Das bedeutet, wir können nicht darauf zählen, dass Pflanzen ihre Kohlenstofffreisetzung verlangsamen, wenn die CO2-Werte steigen.

Was bedeutet das für Sie als Gärtner? Ihre Pflanzen sind Teil dieses globalen Systems. Gesunde Pflanzen, die gut wachsen, absorbieren mehr Kohlenstoff durch Photosynthese als sie durch Atmung freisetzen. Aber gestresste oder sterbende Pflanzen können zu Netto-Kohlenstoffquellen werden. Gute Gartenpraktiken helfen dabei, Ihren kleinen Teil des Ökosystem-Kohlenstoffbudgets auf der positiven Seite zu halten.

5 häufige Mythen

Fazit

Die Atmung in Pflanzen läuft 24 Stunden am Tag in jeder lebenden Zelle. Der Pflanzenatmungsprozess baut Glukose in drei Phasen ab. Dies produziert 27 bis 28 ATP-Moleküle an Energie. Jede Zelle in Ihrer Pflanze ist auf diesen Brennstoff angewiesen, um am Leben zu bleiben und ihre Aufgabe zu erfüllen.

Photosynthese bekommt die meiste Aufmerksamkeit. Aber Atmung verdient von Ihnen gleiche Anerkennung. Ihre Pflanzen brauchen beides, um zu gedeihen. Das eine baut die Nahrung auf, während das andere sie verbrennt, um Wachstum anzutreiben. Ohne Atmung würden Ihre Samen nie keimen. Ihre Blumen würden nie blühen. Ich denke jedes Mal daran, wenn ich durch meinen Garten gehe.

Die praktischen Lektionen aus diesem Leitfaden können Ihnen helfen, bessere Pflanzen zu züchten. Halten Sie Ihren Boden locker, damit die Wurzeln atmen können. Achten Sie auf Ihre Bewässerung, um zu vermeiden, dass diese Wurzeln in durchnässtem Boden ertrinken. Bringen Sie geerntete Produkte schnell in kühle Lagerung, um die Atmung zu verlangsamen und sie frisch zu halten. Geben Sie Setzlingen besondere Pflege, während sie ihre Wurzelsysteme wieder aufbauen.

Der gesamte Pflanzen-Energiestoffwechsel, über den Sie heute gelesen haben, ist der verborgene Motor hinter Ihrem Garten. Vom ersten grünen Trieb bis zur letzten Tomate – die Atmung in Pflanzen macht es möglich. Nutzen Sie diese Tipps für gesundes Pflanzenwachstum noch heute in Ihrem Garten.

Externe Quellen

Häufig gestellte Fragen