Suche
  • Christian Schweda
  • biologie-passion-podcast@web.de
Suche Menü

Folge 009 – Spaltöffnungen (Stomata) | Funktion von Spaltöffnungen


 SUBSCRIBE! 

Inhalt der Folge:

  • In dieser Podcastfolge gehen wir den Aufbau und die Funktion von Spaltöffnungen (Stomata) bei Pflanzen durch!
  • Wir beginnen mit der allgemeinen Funktion und besprechen anschließend den Aufbau der Zellen.
  • Im letzten Teil des Podcasts geht es dann nochmal genauer um den Öffnungs- und Schließungsmechanismus der Spaltöffnungen auf molekularer Ebene!

Spaltöffnungen (Stomata)

Was sind Spaltöffnungen (Stomata)?

  • Spaltöffnungen sind winzige Poren in den Laubblättern von Pflanzen, die man mit bloßem Auge nicht erkennen kann.
  • Sie befinden sich bei den meisten Pflanzen auf der Blattunterseite.
  • Nur bei Wasserpflanzen befinden sich die Stomata logischerweise auf der Blattoberseite.

Was ist die Funktion der Spaltöffnungen (Stomata)?

Wasserverlust vs. Gasaustausch

  • Wie wir bereits in der Folge 006 – Der Aufbau des Laubblattes besprochen haben, sorgt die Epidermis (+ Cuticula) dafür, dass die Oberfläche der Pflanze stark abgedichtet ist.
  • Die Pflanze versucht so ihren Wasserverlust durch Verdunstung über die Zellwände zu minimieren.
  • Diese abgedichtete Oberfläche schützt die Pflanze zwar vor unkontrolliertem Wasserverlust, lässt gleichzeitig aber auch keinen Gasaustausch zu, der für die Pflanze ebenfalls überlebenswichtig ist.
  • Aus diesem Grund gibt es die Spaltöffnungen!

Die Aufgabe / Funktion der Stomata

  • Ihre Aufgabe ist der kontrollierte Gasaustausch mit der Umwelt!
  • Pflanzen sind in der Lage, ihre Spaltöffnungen in Abhängigkeit von Sonnenlicht, Wasserversorgung und Temperatur zu öffnen oder zu schließen.

Über die Spaltöffnungen nehmen Pflanzen Kohlenstoffdioxid auf und geben Sauerstoff und Wasserdampf ab:

  1. Kohlenstoffdioxid fixieren Pflanzen während der Fotosynthese, um über mehrere Reaktionsschritte energiereiche Glucose zu bilden.
  2. Gleichzeitig fällt bei der Fotosynthese Sauerstoff als Nebenprodukt an, der über die Stomata abgegeben wird.
  3. Die Abgabe von Wasserdampf (Transpiration) nutzt die Pflanze auf zwei verschiedene Art und Weisen.
    • Einerseits erzeugt die Abgabe von Wasserdampf über die Stomata einen sogenannten Transpirationssog, der dafür sorgt, dass Wasser entgegen der Schwerkraft und ohne Energieaufwand von den Wurzeln zu den Blättern transportiert werden kann!
    • Andererseits kühlt die Verdunstung des Wassers (Transpiration) die Pflanze und bietet ihr so eine Möglichkeit der Temperaturregulation, um bei starker Sonneneinstrahlung nicht zu überhitzen!

Das Dilemma der Pflanzen: Verdursten vs. Verhungern

Pflanzen befinden sich im ständigen Dilemma zu verdursten oder zu verhungern!

  • Bei geschlossenen Spaltöffnungen ist sowohl der Transpirationssog eingeschränkt, als auch die Aufnahme von CO2 unterbrochen und damit die Fotosynthese limitiert.
    Die Pflanze droht also zu „verhungern“.
  • Bei geöffneten Spaltöffnungen findet ununterbrochen Transpiration (Wasserverlust) statt.
    In diesem Fall droht die Pflanze zu „verdursten“.

Da Pflanzen in der Lage sind, ihre Spaltöffnungen in Abhängigkeit von Sonnenlicht, Wasserversorgung und Temperatur zu öffnen oder zu schließen, können sie dem Tod durch Verhungern oder Verdursten entrinnen.

Wie ist der Spaltöffnungsapparat aufgebaut?

  • Die Spaltöffnung besteht aus zwei spezialisierten, bohnenförmigen Schließzellen, die am oberen und unteren Ende miteinander verbunden sind.
  • Zwischen diesen beiden Schließzellen befindet sich der Porus, der das Tor zwischen Interzellularraum und Umgebungsluft darstellt!
  • Die Schließzellen enthalten außerdem Chloroplasten!
  • Wie wir bereits gelernt haben, ist das bei Zellen der Epidermis normalerweise nicht der Fall.
  • Da die Öffnung und Schließung der Spaltöffnungen energieabhängig ist, geht man davon aus, dass die benötigte Energie direkt von den Chloroplasten (Fotosynthese) der Schließzellen geliefert wird.
Schließzellen + Porus = Spaltöffnung
  • Bei der Öffnung und Schließung der Spaltöffnung spielen die Zellen, die in direktem Kontakt zu den Schließzellen stehen, eine wichtige Rolle!
  • Sie werden auch als Nebenzellen bezeichnet.
  • Die Nebenzellen enthalten keine Chloroplasten, unterscheiden sich aber auf molekularer Ebene von den anderen Zellen der Epidermis.
  • Ein Beispiel dafür wäre die Konzentration von Kaliumionen, die in den Nebenzellen höher ist
Spaltöffnung + Nebenzellen = Spaltöffnungsapparat

Öffnung und Schließung der Spaltöffnungen auf molekularer Ebene

Der Öffnungsmechanismus

Soll die Öffnungsweite der Spaltöffnung erweitert werden, sorgt der Pflanzenorganismus dafür, dass Wasser in die Schließzellen einströmt.

Der Wassereinstrom sorgt wiederum dafür, dass die Schließzellen praller werden und so der Porus geöffnet wird.

Öffnungsmechanismus von Spaltöffnungen (Stomata)

Öffnungsmechanismus Spaltöffnungen Stomata Arbeitsblatt - Biologie Passion Podcast

Öffnungsmechanismus Spaltöffnungen Stomata Arbeitsblatt – Biologie Passion Podcast

Folgende Schritte laufen auf molekularer Ebene ab:

  1. Verschiedene Reize (starke Lichteinstrahlung, Temperatur, geringe CO2-Versorgung) führen dazu, dass ATPasen, unter Verbrauch von ATP, Protonen aus den Schließzellen in die Nebenzellen pumpen.
    • Protonen sind positiv geladene Teilchen.
    • Es werden also positive Teilchen aus den Schließzellen gepumpt, weshalb die Gesamtladung der Schließzellen negativer wird.
    • Man spricht von einem sinkenden Membranpotential!
  2. Das sinkende Membranpotential führt dazu, dass sich spannungsabhängige Kalium-Ionenkanäle öffnen.
  3. Daraufhin strömen Kalium-Ionen mit dem Potentialgefälle aus den Nebenzellen in die Schließzellen.
    • Kalium-Ionen sind einfach positiv geladene Ionen (K+).
    • Da das Membranpotential der Schließzellen im ersten Schritt negativer geworden ist, werden in diesem Schritt die positiven Kalium-Ionen „angezogen“ und strömen deshalb in das Zellinnere der Schließzellen.
  4. Als Ladungsausgleich strömen nun auch negativ geladene Ionen (Anionen wie z.B. Chlorid-Ionen) in das Zellinnere der Schließzellen.
    • Durch den Einstrom der positiv geladenen Kalium-Ionen (K+) im zweiten Schritt steigt das Membranpotential der Schließzellen wieder an.
    • Negativ geladene Chlorid-Ionen (Cl-) strömen deshalb als Ladungsausgleich ebenfalls aus den Nebenzellen in die Schließzellen.
  5. Da die Teilchenkonzentration in den Schließzellen nun deutlich höher als in den Nebenzellen ist, kommt es zur Osmose.
    • Wasser strömt aus den Nebenzellen in die Schließzellen, um den Konzentrationsunterschied auszugleichen.
    • Dieser Wassereinstrom öffnet schließlich den Porus der Schließzellen.

Der Schließungsmechanismus

Über mehrere Schritte kommt es hier zum Wasserausstrom aus den Schließzellen.

Der Spannungsverlust der Zellwände führt dazu, dass sich der Porus der Spaltöffnungen wieder schließt.

Schließungsmechanismus von Spaltöffnungen (Stomata)

Schließungsmechanismus Spaltöffnungen Stomata Arbeitsblatt - Biologie Passion Podcast

Schließungsmechanismus Spaltöffnungen Stomata Arbeitsblatt – Biologie Passion Podcast

Folgende Schritte laufen auf molekularer Ebene ab:

  1. Verschiedene Reize (Lichtmangel, Temperatur, ausreichende CO2-Versorgung) führen dazu, dass die ATPasen ihre Aktivität einstellen und keine Protonen mehr aus den Schließzellen in die Nebenzellen pumpen.
  2. Die eingestellte Aktivität der ATPasen und das negative Membranpotential führen dazu, dass nun Protonen aus den Nebenzellen in die Schließzellen einströmen können und so das Membranpotential wieder steigt.
  3. Im nächsten Schritt strömen die Kalium- und Chlorid-Ionen mit dem Konzentrationsgefälle aus den Schließzellen in die Nebenzellen!
    • Während der Öffnung der Stomata hat sich in den Schließzellen eine höhere Konzentration an Kalium- und Chlorid-Ionen als in den Nebenzellen angesammelt.
    •  Da die ATPasen ihre Aktivität eingestellt haben und deshalb das Membranpotential der Schließzellen wieder positiver wird, werden die Kalium-Ionen nicht mehr in die Schließzellen „gezogen“.
    • Der Konzentrationsunterschied an Kalium- und Chlorid-Ionen wird durch einen Ausstrom ebendieser Ionen aus den Schließzellen in die Nebenzellen wieder ausgeglichen.
  4. Im letzten Schritt strömt das Wasser aufgrund der veränderten Teilchenkonzentration aus den Schließzellen in die Nebenzellen.
  5. Der Spannungsverlust der Zellwände führt dazu, dass sich der Porus der Spaltöffnungen wieder schließt.

Hier gelangst du zur Podcast Folgenübersicht auf meiner Website!

Über Anregungen, Verbesserungsvorschläge und Kommentare freue ich mich immer sehr! 🙂

Schreibe einen Kommentar

Pflichtfelder sind mit * markiert.