Allgemeine Botanik für Dummies – Schummelseite
Allgemeine Botanik für Dummies – Schummelseite
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1. Auflage 2013
© 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition Botany For Dummies © 2005 by John Wiley and Sons, Inc.
Copyright © 2012 by John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, West Sussex, England.
All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
This E-Book published under license with the original publisher John Wiley and Sons, Inc.
Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Botany For Dummies © 2005 by John Wiley and Sons, Inc.
Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Dieses E-Book wird mit Genehmigung des Original-Verlages John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
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Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.
Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Korrektur: Dr. Tina Blasche, Neuenhagen
Satz: Mitterweger & Partner, Plankstadt
Print ISBN: 9783527708628
ePDF ISBN: 9783527668083
ePub: 9783527668090
ISBN mobi: 9783527668106
Über die Autorin
Dr. Rene Fester Kratz studierte Biologie an der Boston University. Dabei begeisterte sie vor allem die Botanik, sodass sie im Anschluss an ihr Studium zwei Jahre lang an der University of Massachusetts im Department für Botanik arbeitete und anschließend an der University of Washington auch ihren Doktor in Botanik machte. Rene Fester Kratz, die mit ihrem Mann, ihren beiden Söhnen und zwei Hunden in Washington lebt, lehrt derzeit Biologie am Everett Community College in Everett. Zudem arbeitet sie in der Lehrerausbildung und ist Mitautorin von Biologie für Dummies.
Über den Übersetzer
Dr. Frank Erdnüß studierte Biologie mit den Schwerpunkten Botanik und Naturschutz an den Universitäten Mainz und Marburg. Für seine Diplomarbeit untersuchte er 1994 die artenreichen Feuchtwälder im Bienwald, einer für Deutschland einzigartigen Schwemmfächerlandschaft in der Südpfalz. Im Jahr 2000 wurde er an der Universität Koblenz-Landau mit einer Dissertation zu den letzten naturnahen Erlenwäldern des Westerwaldes promoviert. Seine Leidenschaft für Wälder und Holzpflanzen drückt sich auch in seinem ersten Buch aus, das 2010 unter dem Titel Blütenpracht am Lago Maggiore erschien; darin werden zahlreiche Gehölze Oberitaliens in Wort und Bild porträtiert. Seit 1995 arbeitet er als freiberuflicher Wissenschaftsjournalist und Übersetzer, unter anderem für die Universität Mainz. Seine Publikationen erscheinen in deutschen und internationalen Fachzeitschriften sowie in der Tagespresse.
Inhaltsverzeichnis
Über den Autor
Über den Übersetzer
Einleitung
Über dieses Buch
Konventionen in diesem Buch
Törichte Annahmen über den Leser
Wie dieses Buch aufgebaut ist
Teil 1: Grundlagen
Teil 2: Pflanzenphysiologie
Teil 3: Reproduktion und Genetik
Teil 4: Biodiversität im Pflanzenreich
Teil 5: Pflanzen und Menschen
Teil 6: Der Top-Ten-Teil
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden
Wie es weitergeht
Teil I
Grundlagen
1 Botanik verstehen
Der pflanzliche Aufbau im Detail
Gut organisierter Aufbau – Wurzel, Spross und Blatt
Wie Pflanzen sich vermehren
Wie Pflanzen funktionieren
Nahrungsaufbau und -abbau
Stofftransport
Hormonregulation
Reproduktion und genetische Gesichtspunkte
Die unglaubliche Vielfalt im Pflanzenreich
Verbindungen zwischen Pflanzen und Menschen
2 Die Pflanzenzelle unter der Lupe
Von der Materie zum Molekül
Elemente, Atome und Isotope entdecken
Mehrere Atome verbinden sich zu Molekülen
Säuren und Basen
Vier Moleküle bestimmen den Zellaufbau
Kohlenhydrate
Proteine
Nukleinsäuren
Lipide
Die Zelle – eine Welt für sich
Die Grenzkontrolle – Plasmamembran
Die Bibliothek – Erbinformationen speichern
Die Fabriken – Ribosomen
Die Pflanzenzelle im Detail
Das Postamt – Endomembransystem
Gerüste und Transportwege – das Zytoskelett
Grüne Photovoltaik – die Chloroplasten
Die Kraftwerke – Mitochondrien
Stahlbeton – Zellwand und extrazelluläre Matrix
3 Pflanzliche Gewebe erkennen
Zellen fusionieren zu Geweben
Wachsen mit Meristemen
Die Grundgewebe des Pflanzenkörpers
Schützende Abschlussgewebe
Transport im Leitungsgewebe
4 Spross, Wurzel und Blatt – die vegetativen Organe der Pflanze
Arbeitsteilung durch drei Grundorgane
Wachsen mit der Sprossachse
Primärwachstum
Sekundäres Dickenwachstum
Spezialisierungen der Sprossachse
Tiefgründige Wurzeln
Die Wurzelabschnitte
Spezialisierungen der Wurzel
Symbiosen mit Bodenpilzen
Mit Blättern der Sonne entgegen
Blattaufbau
Blatttypen
Blattanordnung am Spross
Spezialisierungen des Blattes
5 Generative Vermehrung mit Sporen oder Samen, in Zapfen oder
in Früchten
Reproduktion mit Sporen
Samen schützen den Nachwuchs
Aufbau des Samens
Die Vermehrung mit Zapfen
Die Sprache der Blüten
Wie die Blüte aufgebaut ist
Der Pollen muss raus (Bestäubung)
Die Blüten – zusammen machen sie Eindruck (Blütenanordnung)
Samen in Früchten verpackt
Verschiedene Früchte
Die Verbreitung von Samen und Früchten
Teil II
Pflanzenphysiologie
6 Der pflanzliche Stoffwechsel
Grundlagen des Stoffwechsels
Der Weg der wechselnden Stoffe
Beschleunigung mithilfe von Enzymen
Energietransfer mit ATP
Elektronenübertragung mit Transportmolekülen
7 Die Photosynthese – Grundlage des Lebens
Die Bedeutung des Bodens für die Pflanze
Der Versuch von van Helmont
Die wahre Rolle des Bodens
Die Grundlagen der Photosynthese
Solarenergie – für Pflanzen nichts Neues
Pigmente absorbieren Sonnenstrahlen
Zusammenhang von Licht- und Dunkelreaktionen
Die Sonne mit Lichtreaktionen nutzen
Umwandlung der Energie mit der Elektronentransportkette
Nicht-zyklische und zyklische Photophosphorylierung
Baustoffe und Energie als Zucker speichern mit den Dunkelreaktionen
Die einzelnen Schritte der Dunkelreaktionen
Die Kohlenstofffixierung – ein schwieriges Geschäft
8 Der selbst gebackene Kuchen wird auch selbst gegessen –
die Zellatmung
Die Grundlagen der Zellatmung
Zuckerabbau durch Glykolyse
Die Glykolyse ist universell
Die Bildung von ATP durch Substratkettenphosphorylierung
Der Ablauf der Glykolyse
Einen Schritt weiter – der Citratzyklus
Je mehr desto besser
Der Ablauf des Citratzyklus
Nutzbare Energie durch Chemiosmose und oxidative Phosphorylierung
Elektronentransfer
Energietransfer
9 Stofftransport in der Pflanze
Wie Stoffpakete innerhalb der Pflanze verschickt und empfangen werden
Die Membranpassage
Diffusion, der passive Transport
Der aktive Transport
Osmose
Unter Druck
Druckverlust
Der Wassertransport
Zusammen sind wir stark – die Kohäsion des Wassers
Gezogen wird von oben – der Transpirationssog
Luft in der Leitung – die Gasembolie
Immer auf der Suche – die Wurzeln
Eine klebrige Sache – der Zuckertransport
Spender und Empfänger
Die Druckstromtheorie
10 Die Regulation von Wachstum und Entwicklung
Überblick über Wachstum und Entwicklung von Pflanzen
Signale empfangen
Auf Signale reagieren
Signale senden mit Phytohormonen
Auxine
Cytokinine
Gibberelline
Abscisinsäure
Ethylen
Brassinolide
Bewegung ist gesund – auch für Pflanzen
Wachstumsbewegungen – Tropismen
Bewegungen durch Turgordruck
Wie spät ist es? – Pflanzen registrieren die Jahreszeiten
Blütezeit
Circadianer Rhythmus
Samenkeimung
Teil III
Reproduktion und Genetik
11 Der grüne Planet – Pflanzen vermehren sich
Vermehrung – bei Pflanzen nicht nur auf eine Art
Vegetative Vermehrung
Generative Vermehrung
Vegetative und generative Vermehrung im Vergleich
Zellteilungen durch Mitose
Die Interphase
Die Mitose im Überblick
Die Zellteilung
Generative Vermehrung durch Meiose
Chromosomen zählen
Immer nach Plan
Erst verdoppeln und dann zweimal halbieren
Die Meiose I im Überblick
Die Meiose II im Überblick
Gedanken zum Generationswechsel
12 Wie Merkmale an die nächste Generation weitergegeben werden
Wie ein einzelnes Gen vererbt wird
Die Experimente von Gregor Johann Mendel
Die ersten Regeln der Vererbung
Lernen Sie »Genetisch«
Vorhersagen treffen
Wie zwei unabhängige Gene vererbt werden
Mendel analysiert die Pflanzenhöhe
Das Punnett-Schema bei dihybrider Kreuzung
Erinnern Sie sich noch an die Meiose?
Intermediäre Vererbung
Teil IV
Biodiversität im Pflanzenreich
13 Im stetigen Wandel: Evolution und Adaptation
Die Grundlagen der Evolution
Mutation
Natürliche Selektion
Wichtige Faktoren der Evolution von Pflanzen
Hybridisierung
Polyploidie
Reproduktive Isolation
Die wunderbare Anpassungsfähigkeit von Pflanzen
Wüstenpflanzen
Pflanzen im tropischen Regenwald
Fleischfressende Pflanzen
Wasserpflanzen
14 Der Baum des Lebens – wie alle Organismen miteinander verwandt sind
Wie der Baum des Lebens organisiert ist
Die drei Domänen des Lebens
Kladogramme offenbaren die Vergangenheit
Die Lebewesen organisieren
Das Klassifikationssystem des Lebens
Wie wird eine Pflanze definiert?
Die binäre Nomenklatur
15 Typische Pflanzen am Waldboden – Moose und Farne
Die Eroberung des Festlandes
Moose – Pflanzen ohne echtes Gefäßsystem
Lebermoose – Unterabteilung Marchantiophytina
Hornmoose – Unterabteilung Anthocerophytina
Laubmoose – Unterabteilung Bryophytina
Samenlose Gefäßpflanzen
Bärlappgewächse – Klasse Lycopodiopsida
Echte Farne und ihre Verwandten – Klasse Polypodiopsida
16 Ihre Samen sind nackt – die Gymnospermen
Der Same schützt den Embryo
Palmfarne
Ginkgo
Nadelgehölze
Die Kiefer
Gnetales
17 Sie lassen Blüten sprechen – die Angiospermen
Die ersten Blütenpflanzen
Auf der Suche nach dem Ursprung der Angiospermen
Charakteristische Merkmale der Angiospermen
Der Lebenszyklus der Angiospermen
Die Vielfalt der Angiospermen
Die basalen Gruppen der Angiospermen
Magnoliidae
Eudikotyledonen
Monokotyledonen
Gedanken zur Bestäubungsbiologie
Teil V
Pflanzen und Menschen
18 Das ökologische Netz des Lebens
Ökosysteme entdecken
Steckbriefe
Die Energie ist im Fluss
Die Unendlichkeit der Stoffkreisläufe
Interaktionen von Organismen
Die Konkurrenz entscheidet
Zusammenleben – oder besser nicht?
Die Macht der Pflanzengemeinschaften
Biome erkunden
Sukzession – Lebensgemeinschaften verändern sich
19 Pflanzen durch Biotechnologie verändern
Gentechnik – nein danke?
Die Pflanze als Baukasten
Die Kultur pflanzlicher Gewebe
Pflanzen mithilfe von Bakterien verwandeln
Der Versuch, eine bessere Welt zu schaffen
Lebensretter Gen-Reis
Bakterien gegen Pflanzenkrankheiten
Resistent gegen Herbizide
Pflanzliche Medikamente und Enzyme
Das Für und Wider der Gentechnik – eine Gegenüberstellung
20 Pflanzen im Alltag
Die hungernde Welt ernähren
Die Ursprünge der Landwirtschaft
Mit dem Wachstum der Weltbevölkerung Schritt halten
Pflanzliche Produkte nutzen
Häuser bauen
Die Papierherstellung
Wir tragen Baumwolle
Pflanzliche Treibstoffe für die Zukunft
Die Bedeutung pflanzlicher Inhaltsstoffe
Pflanzliche Arzneimittel
Giftpflanzen
Halluzinogene Pflanzen
Teil VI
Der Top-Ten-Teil
21 Zehn außergewöhnliche Pflanzen
Fleischfressende Pflanzen – die Kobralilie
Stinkende Pflanzen – die Titanwurz
Ein galoppierendes Moos
Lebende Steine sind auch Pflanzen
Auferstanden von den Toten
Die seltsame Welwitschia
Der weiße Fichtenspargel wächst über der Erde
Hat die Fliegen-Ragwurz Sex mit Insekten?
Rundum faszinierend – die Riesenseerose
Ein Baum im Baum – die Würgefeige
22 Botanisches Wissen erhalten – zehn Tipps
An Vorlesungen aktiv teilnehmen
Die Zeit im Labor nutzen
Zeitmanagement im Studium
Besser aktiv als passiv
Eselsbrücken sind Gold wert
Auf alles gefasst sein
Die richtigen Lehrmaterialien nutzen
Testen Sie sich selbst
Clever studieren, nicht länger!
Hilfe – so früh wie möglich
Stichwortverzeichnis
Einleitung
Heutzutage ist so vieles »grün«: Technologien, Energie, Lebensweise und auch in der deutschen Parteienlandschaft sind »Die Grünen« fest etabliert. Das Wort »grün« symbolisiert dabei eine gesunde Umwelt und einen nachhaltigen Lebensstil. Es eignet sich gut als positives Adjektiv, denn grün sind auch unsere üppig wachsenden Felder und Wälder. Dieses Buch handelt von den Organismen, die unsere Welt begrünen – von den Pflanzen, die unseren Planeten in weiten Teilen dominieren und ihn so wunderschön gestalten.
Über dieses Buch
Allgemeine Botanik für Dummies versteht sich als Einführung in die Welt der Pflanzen und offenbart dabei deren fundamentale Bedeutung für jegliches sonstige Leben auf unserem Planeten. Mein Ziel ist es, die Biologie pflanzlicher Organismen einfach und klar darzustellen, wobei stets versucht wird, einen Bezug zwischen der Wissenschaft und unserem täglichen Leben herzustellen. Viele der im Buch verwendeten Abbildungen werden auch in botanischen Grundkursen an Universitäten verwendet.
Die Botanik umfasst die wissenschaftliche Untersuchung der pflanzlichen Lebewesen, das heißt ihre Morphologie, Physiologie, Ökologie, Diversität, Evolution, Genetik sowie auch ihre Wechselbeziehungen zu Tieren und Menschen. Ich hoffe, dass es Ihnen ebenso geht wie mir, als ich mit dem Studium der Botanik begann: Ich war überrascht, wie vielfältig und geheimnisvoll die Pflanzenwelt ist und gleichzeitig fasziniert von ihrer Schönheit.
Konventionen in diesem Buch
Um Sachverhalte so einfach und nachvollziehbar wie möglich darzustellen, werden Fachbegriffe entweder vermieden oder direkt erklärt. Die Darstellung sehr umfangreicher Sachverhalte beschränkt sich in der Regel auf die zugrunde liegenden Konzepte und komplexe Zusammenhänge werden in aufeinanderfolgenden Schritten erklärt.
Damit Sie sich im Text besser zurechtfinden, habe ich die folgenden Stilmittel beziehungsweise Formatierungen verwendet:
Kursivschrift wird für Begriffe verwendet, die neu auftreten und anschließend definiert werden. Auch Gattungs- und Artnamen werden kursiv geschrieben.
Fettdruck stellt Schlüsselwörter heraus und markiert die wichtigsten Satzteile beziehungsweise Begriffe in Aufzählungslisten.
Grau unterlegte Kästen enthalten interessante Hintergrundinformationen zum jeweiligen Thema; das Lesen der Kästen ist zum Verständnis des Kapitels jedoch nicht zwingend erforderlich.
Internetadressen sind durch den Schrifttyp Monofont gekennzeichnet, sodass sie leicht wiedergefunden werden können.
Törichte Annahmen über den Leser
Beim Schreiben des Buches habe ich mich immer wieder gefragt, wer es wohl lesen wird. Welche Zielgruppe will ich erreichen. Ich weiß es nicht, aber vielleicht sind ja Sie, lieber Leser,
ein Oberstufenschüler, der Biologie als Leistungsfach gewählt hat und vielleicht eine Facharbeit in Botanik plant.
ein Student eines naturwissenschaftlichen Faches (zum Beispiel Biologie, Pharmazie, Medizin, Geographie), der mithilfe des Buches den Pflichtkurs Botanik besser absolviert.
einfach ein an Pflanzen interessierter Mensch (zum Beispiel Hobbygärtner, Wanderer), der sich eingehender mit unseren Primärproduzenten beschäftigen möchte.
Wie dieses Buch aufgebaut ist
Das Buch gliedert sich in sechs Teile, in denen die wesentlichen Teilgebiete der Botanik, also Morphologie (Aussehen und Gestalt), Physiologie (Stoffwechselvorgänge und Biochemie), Genetik (Vererbungslehre), Entwicklungsbiologie, Taxonomie (Pflanzenbestimmung), Phylogenie (Abstammungslehre) sowie die Bedeutung für den Menschen dargestellt werden.
Teil 1: Grundlagen
Pflanzen unterscheiden sich gar nicht so sehr von der übrigen belebten Welt. Genau wie bei allen anderen Lebewesen stellt die Zelle die kleinste Einheit des pflanzlichen Organismus dar. Pflanzenzellen bilden Gewebe, die wiederum die bekannten Organe Wurzel, Spross und Blatt aufbauen. In Teil 1 wird die Pflanzenzelle besprochen und erklärt, wie sich Zellen zu unterschiedlichen Strukturen und Geweben organisieren.
Teil 2: Pflanzenphysiologie
Pflanzen haben die gleichen Grundbedürfnisse wie alle anderen Lebewesen: Für ihr Wachstum brauchen sie Baustoffe und Energie. Das Besondere an Pflanzen aber ist natürlich, dass sie die Fähigkeit haben, Sonnenenergie zu nutzen, das heißt die notwendigen Baustoffe selbst herzustellen und die Energie für sich zu gewinnen. Weil Pflanzen sich nicht vom Fleck bewegen können, haben sie ganz ausgeklügelte Techniken zur eigenen Wasserversorgung entwickelt. Teil 2 beginnt mit einem Überblick über den pflanzlichen Stoffwechsel und präsentiert dann die Mechanismen des Wasser- und Nährstofftransports sowie der Signalübertragung.
Teil 3: Reproduktion und Genetik
Pflanzen können sich sowohl sexuell (generativ) als auch asexuell (vegetativ) vermehren. In diesem Teil widmen wir uns der Zellteilung, sowohl für normales Wachstum (Mitose) als auch für die generative Vermehrung mit Eizellen und Spermien (Meiose). Außerdem versuche ich, Ihnen die Grundlagen der Genetik zu vermitteln, das heißt zu erklären, wie bestimmte Merkmale von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden.
Teil 4: Biodiversität im Pflanzenreich
Wahrscheinlich kennen Sie die Pflanzen in Ihrem Garten, die Bäume im Wald und auch die Gemüsesorten in Ihrer Küche mit Namen. Aber haben Sie sich jemals die Blüten genauer angeschaut und gefragt, was die eine Pflanzenart von der anderen unterscheidet? In Teil 4 beschäftigen wir uns daher mit den Hauptgruppen des Pflanzenreichs und mit ihren speziellen Merkmalen, sowohl hinsichtlich der Gestalt als auch der Lebensweise.
Teil 5: Pflanzen und Menschen
Pflanzen sind untrennbar mit unserem täglichen Leben verbunden. Man denke nur an ihre Bedeutung für unser Klima, den Wasserhaushalt oder an die vielen pflanzlichen Produkte, die wir nutzen. In diesem Teil zeige ich Ihnen, wie wichtig Pflanzen für eine gesunde Umwelt sind und erläutere ihre zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten, von Medikamenten über Kleidung, Treibstoff und Nahrung bis hin zu Baumaterialien. Außerdem gehe ich auf die Technik der Genveränderungen bei Pflanzen ein, die unsere Landwirtschaft bereits stark verändert hat und auch die Entwicklung neuer Arzneimittel beeinflusst.
Teil 6: Der Top-Ten-Teil
Dieser letzte Teil eines jeden »Dummies«-Buchs besteht aus kurzen Kapiteln mit jeweils etwa zehn Themen. Hier werden zehn außergewöhnliche Geschichten aus der Pflanzenwelt erzählt.
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden
Die folgenden Symbole werden wie in jedem »Dummies«-Buch verwendet, damit Sie sich leichter orientieren können.
Wie es weitergeht
Wie in allen »Dummies«-Büchern so stehen auch hier die einzelnen Kapitel für sich allein. Man kann also jedes beliebige Kapitel einzeln durcharbeiten, egal in welcher Reihenfolge. Wenn Sie sich generell einen Überblick über die Pflanzenwelt verschaffen möchten, fangen Sie vielleicht mit Teil 5 »Pflanzen und Menschen« an. Wenn Sie jedoch gerade einen Grundkurs Botanik an der Universität absolvieren, sollten Sie bei den Grundlagen in Teil 1 beginnen.
Ich hoffe, Sie genießen diese Reise durch die Pflanzenwelt und können am Ende meine Begeisterung für die Botanik etwas nachvollziehen.
Teil I
Grundlagen
In diesem Teil …
In diesem ersten Teil des Buches mache ich Sie mit Pflanzen bekannt – mit Lebewesen, die Sie vielleicht noch nie so richtig wahrgenommen haben. Obwohl viele Menschen einen Garten haben und auch ihre Fensterbänke mit Blütenpflanzen schmücken, sind ihnen Pflanzen relativ fremd.
Während der Lektüre dieses Teils werden Sie die grundlegenden Prinzipien pflanzlichen Lebens kennenlernen und auch die Evolution besser verstehen. Sie werden verstehen, dass Pflanzen und Tiere viele Ähnlichkeiten miteinander haben. Genau wie wir, sind Pflanzen aus Zellen aufgebaut, die als Gewebe organisiert sind und Organe bilden. Pflanzen haben sogar Sex. Viele Nahrungsmittel sind beispielsweise das Produkt der sexuellen Vermehrung von Pflanzen.
1
Botanik verstehen
In diesem Kapitel
Von der Zelle zur Pflanze
Wie Pflanzen funktionieren
Pflanzen und Menschen
Unter Botanik verstehen wir das Studium von Pflanzen, das heißt ihre Morphologie, Funktion, Reproduktion, Diversität, Abstammung und so weiter. Im täglichen Leben scheint es vielleicht so, dass Pflanzen ein Schattendasein führen – in Wahrheit stehen sie jedoch im Mittelpunkt unseres Lebens. Unsere Nahrung, unsere Kleidungsstücke, unsere Einrichtungsgegenstände – all das basiert letztlich auf der Vegetation. Grüne Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und wirken damit der Klimaerwärmung entgegen. Viele Pflanzen stellen den Lebensraum für Insekten und andere Tiere bereit, sie tragen zur Reinigung der Gewässer bei und helfen, unsere Küsten und Berge vor übermäßiger Erosion zu schützen.
Und neben all diesen nützlichen Eigenschaften sind Pflanzen auch einfach faszinierend. Sie haben einzigartige Strategien entwickelt, mit deren Hilfe sie in den unterschiedlichsten Lebensräumen überleben können. Auf nährstoffarmen Böden fangen sie Insekten, sie wachsen in der Erde oder hoch in den Wipfeln von Regenwaldbäumen und kommen mit jedem Klima klar, sei es in der Wüste oder in kalten Polarregionen. Auf den ersten Blick sind Pflanzen so anders als Menschen, aber wenn man ihren Stoffwechsel genau anschaut, ist man überrascht, wie viele Ähnlichkeiten doch bestehen. Dieses Kapitel stellt die Botanik als Wissenschaftsdisziplin vor und bietet einen Einblick in die Geheimnisse der Pflanzenwelt.
Der pflanzliche Aufbau im Detail
Kaum zu glauben, aber Pflanzen und Menschen haben vieles miteinander gemeinsam. Ebenso wie bei uns bestehen ihre Körper aus Zellen (siehe Kapitel 2), die sich zu Geweben organisieren (siehe Kapitel 3), welche wiederum die drei bekannten Grundorgane Wurzel, Spross und Blatt bilden. In pflanzlichen Zellen laufen vielfach die gleichen biochemischen Reaktionen ab wie bei uns; so wird beispielsweise die Erbinformation auch als DNA gespeichert, Kohlenhydrate dienen als Energiequelle und Proteine übernehmen bestimmte Aufgaben im Organismus. Schließlich handelt es sich sowohl bei menschlichen als auch bei pflanzlichen Zellen um eukaryotische Zellen, das heißt es gibt einen Zellkern und verschiedene Zellorganellen.
Gut organisierter Aufbau – Wurzel, Spross und Blatt
Pflanzen streben nach Sonnenlicht, denn Grundlage ihres Wachstums ist die Photosynthese. Mit diesem Prozess, der meist in den Blättern stattfindet, verwandeln Pflanzen Lichtenergie in Zuckermoleküle. Damit möglichst viel Sonnenlicht absorbiert werden kann, sind die Blätter in der Regel flach ausgebreitet. Aber es gibt auch andere Blattformen für spezielle Aufgaben, wie etwa Blattranken zum Erklimmen von Zäunen, Blattdornen als Fraßschutz oder dickfleischige Blätter als Wasserspeicher.
Blätter sitzen stets am Spross beziehungsweise der Sprossachse. Somit hilft der Spross den Blättern, optimal ausgerichtet zu sein und sich nicht gegenseitig zu beschatten. Neues Pflanzenwachstum findet durch Zellteilung an den Sprossspitzen statt. Der Spross wächst und es bilden sich neue Blätter, Äste und manchmal auch Blüten. Manche Sprossachsen sind ebenfalls grün und können Photosynthese betreiben, zum Beispiel bei manchen Kakteen. Andere Sprosse wiederum kriechen horizontal am Boden entlang und bilden in gewissem Abstand immer wieder neue Pflanzen – wir kennen das zum Beispiel von der Erdbeere.
Die Wurzeln sind für die Wasserversorgung von Spross und Blättern zuständig. Sie nehmen das Wasser mitsamt den darin gelösten Mineralien aus dem Boden auf und absorbieren damit auch gleichzeitig Nährstoffe, wie etwa Stickstoff und Phosphor, die für die Funktionen im Pflanzenkörper wichtig sind. Manche Pflanzen wie beispielsweise der Löwenzahn haben eine lange Pfahlwurzel, die tief in den Boden hineinreicht, während Gräser zum Beispiel ein feines Wurzelgeflecht ausbilden. Wiederum andere, wie etwa Maispflanzen, bilden sogenannte sprossbürtige Wurzeln aus, die kurz oberhalb der Erdoberfläche am Spross entspringen, in den Boden wachsen und die normalen Wurzeln unterstützen.
Wie Pflanzen sich vermehren
Im Laufe der Evolution haben sich im Pflanzenreich ganz unterschiedliche Arten der Vermehrung entwickelt. Für die generative (sexuelle) Vermehrung werden spezielle reproduktive Zellen gebildet, die sogenannten Sporen (siehe auch Kapitel 5). Viele der uns bekannten Pflanzen absolvieren den Generationswechsel jedoch in einer anderen Form, als Same. Samen eignen sich besser für die Reproduktion als Sporen, da sie den pflanzlichen Embryo schützend umhüllen und ihm mit einem speziellen Nährgewebe beim Auskeimen helfen.
Manche Pflanzen scheinen bei der generativen Vermehrung fast übermütig geworden zu sein, denn sie produzieren aufwändige Blüten (siehe auch Kapitel 5), die als Lockmittel für potenzielle Bestäuber dienen sollen. Andere Pflanzenarten, zum Beispiel viele Gräser und Bäume, verzichten auf Tiere als Pollenüberträger und lassen ihre Blüten stattdessen durch den Wind bestäuben.
Die Blüten beherbergen sowohl männliche Staubblätter als auch weibliche Fruchtblätter. Die Staubblätter enthalten den Pollen, in dem sich wiederum die Spermien befinden. Die Fruchtblätter enthalten die Samenanlagen mit den Eizellen. Wenn nun der Pollen an der Eintrittspforte des Fruchtblattes gelandet ist, spricht man von Bestäubung. Der Pollen entlässt dann die Spermien, sodass sie mit der Eizelle verschmelzen können – die Befruchtung hat stattgefunden und die nächste Generation dieser Pflanze kann beginnen. Nach der Befruchtung entwickeln sich die Samenanlagen von Blütenpflanzen zu einer Frucht (siehe Kapitel 5). Einige Früchte sind süß und fleischig, sodass Tiere angelockt werden und die Samen verbreiten. Andere Früchte sind trocken und leicht, sodass sie vom Wind verweht werden oder auch im Fell eines Tieres auf »Wanderschaft« gehen können; wieder andere Früchte platzen noch an der Pflanze hängend auf und verstreuen dabei ihre Samen. Egal welche Strategie die jeweilige Pflanze verfolgt, das Ziel ist stets dasselbe – eine Nische, einen Standort zu finden, an dem der Same keimen und zu einem neuen Individuum heranwachsen kann.
Wie Pflanzen funktionieren
Zellaufbau und Biochemie der Pflanzen sind also gar nicht so verschieden von uns, aber es gibt noch weitere Gemeinsamkeiten im Leben von Pflanzen und Menschen. Genau wie wir brauchen auch Pflanzen eine Quelle für Nährstoffe zum Aufbau ihres Körpers und ebenso eine Energiequelle, die Wachstum und Bewegung ermöglicht (siehe Kapitel 6). Und genau wie im menschlichen Körper müssen auch im pflanzlichen Organismus Nahrungsmoleküle und Flüssigkeiten transportiert werden. Schließlich muss erwähnt werden, dass Pflanzen sich in ganz ähnlicher Weise verändern und weiterentwickeln wie wir, denn auch sie sind gezwungen, auf sich ändernde Umweltbedingungen zu reagieren.
Nahrungsaufbau und -abbau
Jedes Lebewesen auf der Erde braucht Nahrung als Energiequelle – und darin unterscheiden sich Pflanzen und Menschen grundlegend. Während wir andere Organismen beziehungsweise Lebewesen als Nahrung nutzen und daraus Energie gewinnen, sind Pflanzen in der Lage, ihre Nahrung selbst zu produzieren.
Die eigene Nahrung selbst herstellen, das können nur Pflanzen und zwar mithilfe der Photosynthese (siehe Kapitel 7). Obwohl die Photosynthese einen ziemlich komplexen Prozess darstellt, kann man sich das Geschehen auch in Form eines einfachen Rezeptes vorstellen. Man nehme Kohlendioxid aus der Atmosphäre und Wasser aus der Erde und verfahre dann folgendermaßen:
1. Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenenergie zusammenfügen, sodass sich die Atome neu ordnen können: es entstehen Kohlenhydrate (Zucker) und Sauerstoff.
2. Dann den Zucker als Nahrungs- beziehungsweise Energiequelle in allen Bereichen des pflanzlichen Organismus bereitstellen und den Sauerstoff als Abfall entsorgen.
3. Wenn Kohlenhydrate übrig sein sollten, können diese in Stärkemoleküle umgewandelt und gespeichert werden.
Wenn eine Pflanze nun für irgendeinen Stoffwechselprozess Energie benötigt, macht sie dasselbe, was auch wir Menschen mit unserer Nahrung tun – ihre Zellen bauen die Stärke- beziehungsweise Zuckermoleküle ab; dieser Vorgang wird als Zellatmung bezeichnet (siehe Kapitel 7). Die Zellatmung besteht aus einer speziellen Abfolge von chemischen Reaktionen (auch Atmungskette genannt), in deren Verlauf die Nahrungsmoleküle so zerlegt werden, dass Energie und Nährstoffe für die Zellen verfügbar werden. Am Ende der Atmungskette bleiben dann Kohlendioxid und Wasser als Abfallprodukte übrig; sie werden von den Pflanzenzellen wieder abgegeben.
Stofftransport
Zur Nährstoff- und Energieversorgung brauchen alle Pflanzenzellen Nahrung. Diese wird wie bereits erwähnt gewöhnlich in Form von Zucker selbst hergestellt, und zwar in den Blättern. Von dort müssen die Zuckermoleküle nun in alle Bereiche des Pflanzenkörpers transportiert werden, wo sie gebraucht werden. Umgekehrt nehmen die Wurzeln aus dem Boden Wasser auf, das im gesamten Organismus benötigt wird. Besonders in den Blättern ist es wichtig für die Photosynthese. Entsprechend unseren Venen und Arterien, in denen Blut mitsamt den Nährstoffen zirkuliert, besitzen auch Pflanzen spezielle Leitungsgewebe, in denen der Wasser- und Nährstofftransport stattfindet (siehe Kapitel 9).
Wir unterscheiden dabei zwei Typen von Leitungsgeweben: das Phloem zum Transport von gelösten Zuckermolekülen und das Xylem, in dem Wasser und gelöste Mineralstoffe fließen.
Innerhalb des Phloems werden die Kohlenhydrate, die durch Photosynthese in den Blättern gebildet wurden, zu all den Stellen im pflanzlichen Organismus gebracht, wo sie gebraucht werden – entweder für weiteres Zellwachstum oder als Speicherstoffe in Form von Stärke. Mithilfe des Xylems wird das Wasser von den Wurzeln durch den gesamten Pflanzenkörper geleitet, sodass alle Zellen mit der erforderlichen Menge Wasser versorgt werden können.
Hormonregulation
Es gibt noch eine weitere Gemeinsamkeit zwischen uns und den Pflanzen: Wachstum und Entwicklung werden durch Hormone gesteuert (siehe Kapitel 10).
Im Laufe ihres Lebens bleiben Pflanzen zwar von der für uns so lästigen Pubertät verschont, aber es finden durchaus gravierende Veränderungen in der Entwicklung statt, die von Hormonen gesteuert werden: zum Beispiel wenn ein Same aus seiner Ruhephase erwacht und zu keimen beginnt oder wenn für eine Blütenpflanze der richtige Zeitpunkt im Jahr gekommen ist, ihre Blüten zu entfalten. Pflanzliche Hormone regulieren auch die Wachstumsrichtungen von Sprossen und Wurzeln: Erstere wachsen stets in Richtung Licht, Letztere streben hingegen nach unten in Richtung der Erdanziehungskraft.
Reproduktion und genetische Gesichtspunkte
Pflanzen schießen in wie Unkraut die Höhe. Klar, weil Unkräuter auch Pflanzen sind. Klingt albern, aber es ist etwas Wahres dran, denn pflanzliches Wachstum findet stets an den Sprossspitzen statt. Dort befindet sich das sogenannte apikale Meristem, ein spezielles Gewebe, in dem sich die Pflanzenzellen teilen. Dieser Zellteilungsprozess, der neues Größenwachstum generiert, wird als Mitose bezeichnet (siehe Kapitel 11). Die Mitose läuft bei Pflanzen ziemlich ähnlich ab wie bei uns Menschen und auch Holzpflanzen betreiben Mitose; sie werden dadurch nicht nur größer sondern auch dicker, das heißt ihr Stammumfang nimmt zu.
Pflanzen können sich generativ (sexuell) vermehren, indem Spermium und Eizelle verschmelzen und die nächste Generation bilden. Spermien und Eizellen werden durch einen speziellen Zellteilungsprozess produziert, der Meiose genannt wird (siehe Kapitel 11); sie tragen jeweils eine Kopie der DNA ihrer Mutterpflanze in sich und geben die darin enthaltene Erbinformation an ihre Nachkommen weiter.
Innerhalb der Wissenschaftsdisziplin Genetik (siehe Kapitel 12) studieren Forscher die Interaktionen und Zuständigkeiten von Genen, indem sie zum Beispiel aufeinanderfolgende Generationen einer Pflanzenart bezüglich der Ausprägung bestimmter Merkmale (Blütenfarbe, Behaarung und so weiter) beobachten.
Die unglaubliche Vielfalt im Pflanzenreich
Unsere Erde beherbergt eine enorme Anzahl verschiedener Pflanzen, die sich in Größe, Gestalt und Lebensform unterscheiden. Sie können so groß sein wie der mächtige Mammutbaum oder so winzig wie ein Stecknadelkopf. Sie können ihren Generationswechsel, das heißt die Zeit vom Samen bis zum Samen der nächsten Generation, in einem Monat durchlaufen oder sie können länger als tausend Jahre leben. Im Laufe der mehr als 400 Millionen Jahre, in denen Pflanzen nun an Land leben, haben sie jeden Lebensraum der Erde für sich erobert: Sie wachsen heute in Wüsten, im Regenwald und in den Bergen und manche Pflanzen haben auch den Ozean als Lebensraum für sich wiederentdeckt. Neben den klassischen bunten Blüten gibt es im Pflanzenreich auch Blüten in Form von Zapfen. Manche Pflanzen fangen Insekten zur Nahrungsergänzung, andere locken Tiere an und benutzen sie als Bestäuber. In Anbetracht dieser unterschiedlichen Strategien und Lebensräume kann man sich leicht vorstellen, dass es ganz erstaunliche Vertreter im Pflanzenreich gibt, zum Beispiel filigrane Moose (siehe Kapitel 15), robuste Nadelbäume (siehe Kapitel 16) oder farbenprächtige Blütenpflanzen (siehe Kapitel 17).
Botaniker untersuchen all diese unterschiedlichen Pflanzen, um deren Lebensweise und Reproduktionsstrategien zu verstehen. Mithilfe genetischer Analysen, das heißt durch Entschlüsselung der Erbinformation (DNA), schafft man sich zudem neue Einblicke in die Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen Pflanzengruppen, sodass sich zukünftig ihre Evolution noch besser rekonstruieren lässt (siehe Kapitel 14).
Verbindungen zwischen Pflanzen und Menschen
Pflanzliches Leben ist ganz eng mit uns Menschen verknüpft:
Wir alle sind Teil eines Ökosystems, das letztlich von Pflanzen aufrecht erhalten wird. Was sollten wir essen, wenn es keine Pflanzen als Primärproduzenten gäbe? (Mehr zu diesem Thema lesen Sie in Kapitel 18).
Der Mensch kann Pflanzenarten manipulieren, etwa um ihre Produktivität zu steigern oder auch um Arzneimittel herzustellen. Nahrungsmittel aus genetisch veränderten Pflanzen werden sehr kontrovers diskutiert – sie weisen sowohl Vor- als auch Nachteile auf (siehe Kapitel 19).
Der Anbau von Nahrungspflanzen. Der Ursprung des menschlichen Ackerbaus reicht etwa 10.000 Jahre in die Vergangenheit zurück. Dabei hat der Übergang vom Jäger und Sammler zu Ackerbau und Viehzucht tiefgreifende Veränderungen für unsere Gesellschaftsstruktur mit sich gebracht (siehe Kapitel 20).
Aus Pflanzen können wir Kleidungsstücke herstellen. Baumwolle und Leinen werden direkt aus den entsprechenden Pflanzenarten hergestellt. Darüber hinaus werden Teile verschiedener Pflanzen zum Färben von Stoffen benutzt (siehe Kapitel 20).
Der Mensch nutzt Pflanzen als Arzneimittel. Digitoxin ist ein wirksames Herzmedikament, Aspirin reduziert Fieber und Artemisinin wird bei Malaria therapeutisch eingesetzt. Dies sind nur ein paar wenige Beispiele für Arzneimittel, die aus Pflanzen (hier Fingerhut, Weide und Beifuß) extrahiert werden beziehungsweise wurden (siehe Kapitel 20).
Pflanzen sind Grundlage für wichtige Materialien. Holz für Hausbau, Möbel und Werkzeuge ist aus unserem Alltag kaum wegzudenken und auch Stroh wird heute teilweise immer noch als Dacheindeckung genutzt.
Ein Spaziergang im Park und Joggen im Wald haben positive Auswirkungen auf unser Gemüt und die körperliche Fitness. Stressreduktion ist äußerst wichtig, denn Stress hat negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Der Aufenthalt in der Natur wirkt auf viele Menschen beruhigend.
Pflanzen helfen bei der Gewässerreinhaltung. Wahrscheinlich haben Sie schon von den Diskussionen um das immer schneller voranschreitende Verschwinden von Feuchtgebieten gehört; sie fallen immer wieder neuen Entwicklungsprojekten zum Opfer. Der Lebensraum Feuchtgebiet zeichnet sich durch spezielle Typen von Pflanzen und Böden aus. Mit dem Regen werden verschiedene Schadstoffe aus unseren Siedlungsgebieten fortgetragen, darunter Düngemittel, Ölreste und Haustierkot. Wenn das Regenwasser mit seiner schädlichen Fracht durch ein Feuchtgebiet fließt bevor es in einem Fluss oder See landet, wird es dort deutlich sauberer ankommen, denn Pflanzen und Bakterien filtern das Wasser und entfernen dabei viele der gefährlichen Substanzen. Außerdem stellen Feuchtgebiete wichtige Ausdehnungsflächen für Flüsse dar, wodurch die Gefahr von Überflutungen verringert wird.
Egal was man in den Vordergrund stellt, die Ähnlichkeiten zwischen Pflanzen und anderen Organismen, ihre Schönheit oder ihre Nützlichkeit für den Menschen – man wird sicherlich immer ein paar gute Gründe finden um mehr über Pflanzen zu erfahren.