Arbeitsblatt: Pflanzen Aufbau

Bau und Lebenserscheinung der Pflanzen Die Pflanze ist wie das Tier und der Mensch ein lebender Organismus. Die Lehre vom Bau (Morphologie) und von der Lebenserscheinung (Physiologie) stellt jedes Lebewesen als harmonisches Ganzes dar, dessen Bau aus den Leistungen und dessen Leistungen aus dem Bau zu verstehen sind. 1. Von der Zelle zum vielzelligen Organismus Die meist mikroskopisch kleine Zelle ist der elementare Baustein der Organismen. Beim Einzeller besorgt sie alle Lebensaufgaben. Beim Vielzeller ist sie im Sinne einer Arbeitsteilung spezialisiert. Bau und Leben der Pflanzenzelle: Zellbestandteile Zellwand (ZW) Plastidenanlagen (Pl) Mitochondrien (MI) Vakuole (V) Kern (K) Kernkörperchen (KK) Chromatingerüst des Kerns (Ch) Zellplasma (ZP) Zellplasma ist ein fast farbloser, oft strömender Schleim, der die junge Zelle ganz ausfüllt. Beim Streckungswachstum nimmt er nicht mehr stark zu und die ältere Zelle wird daher von Vakuolen durchsetzt. So bleiben nur noch Plasmabrücken zurück oder das Plasmas zieht sich ganz an die Wände zurück. Hier spielen sich wichtige Lebensvorgänge wie Nahrungsaufnahme und Atmung ab. Der Zellkern ist immer von Plasma umschlossen und von einer Kernhaut umgeben. Darin kann man ein bis mehrere Kernkörperchen wahrnehmen. Ausserdem befinden sich die Chromosomenfäden mit den Erbanlagen im Inneren des Kerns. Er nimmt eine überragende regulierende Stellung im Zellgeschehen ein. Die Plastiden sind im Plasma eingebettete Organelle, die nur in Pflanzenzellen vorhanden sind. Sie bauen Stoffe wie Leukoplasten oder Chloroplasten auf die auch Grundlage für den grünen Farbstoff Chlorophyll sind. Aus Chloroplasten können dann auch Chromoplasten entstehen, deren gelbe oder orangen Farbstoffe Blüten und Blätter färben können. Farbstoffe treten aber auch gelöst im Zellsaft der Vakuolen auf. 1 Die Zellwand ist das leblose Aussenskelett der Pflanzenzelle. Meist ist diese Hülle aus Traubenzucker, also Kohlenhydraten aufgebaut, kann aber auch Chitin, Holzstoffe oder Kieselsäure enthalten. Die Vakuolen sind Räume im Plasma die mit Zellsaft gefüllt sind. Dieser wässerige Saft enthält stets Salze, Zucker, organische Säuren und Eiweisse. Auch Farbindikatoren (Anthocyan) sind oft in dieser Flüssigkeit bei Samenpflanzen vorhanden. Es können noch weitere Einschlüsse im Zellplasma auftreten, die Speichersubstanzen oder Stoffwechselprodukte enthalten. Die Osmose Sollen Stoffe die Wände der Zellen passieren können, müssen diese halbdurchlässig sein. Die Stoffe treten von der Seite mit der niedrigeren Lösungskonzentration zur Seite mit der höheren Konzentration über. Diese Diffusion nennt man Osmose. Dies reguliert den Wasserhaushalt der Zelle. Kern und Zellteilung Die der Vermehrung dienende Zellteilung beginnt mit der gewöhnlichen Kernteilung. Der Vorgang ist recht komplex und hier nur vereinfacht dargestellt. Die Mitose Interphase: Aufbau von zwei identischen Chromatiden, die DNS wird also verdoppelt. Prophase: Das Erbmaterial beginnt sich zu ordnen und die Chromosomen werden sichtbar. Metaphase: Die Chromosomen liegen einzeln in der Äquatorialebene. Anaphase: Die Chromosomen aus je zwei Chromatiden werden in die 2 einzelnen Chromatiden getrennt. Von jedem Chromosom wird ein Tochterchromatid vom Spindelfaserapparat zum einen Pol, das andere zum gegenüberliegenden Pol gezogen. Telophase: Die Chromosomen sind an den jeweiligen Polen. Interphase: In dieser Phase findet die Verdoppelung der Erbinformation statt Zellwachstum Zuerst findet ein Flächenwachstum der Zellwand statt. In die durch den Turgor gedehnte Wand werden die Baustoffe eingelagert. Der Zellraum vergrössert sich und da das Plasma im Wachstum zurückbleibt, treten die Vakuolen auf. Auf das Flächenwachstum folgt dann das Dickenwachstum der Zellwand von Innen her, was den Zellraum verkleinert. Die Wände können sich chemisch verändern und dabei zum Beispiel verholzen. Die Zelle ist dann zwar druckfest aber sie stirbt dabei ab. Leitende Zellen in Pflanzen müssen durchgängig gehalten werden. Viele übereinander gereihte Zellen deren Zwischenwände aufgelöst oder durchbrochen sind, bilden dann eine Röhre. Bei der Waldrebe (Niele) sind die Röhren so weit, dass wir durch ein trockenes Stängelstück mit Leichtigkeit Luft blasen können. 3 Aufbau des vielzelligen Organismus Trennen sich die Zellen nach der Teilung nicht voneinander, so kommt es entweder zur Bildung einer Zellkolonie mit nur lose verbundenen, in Bau und Aufgäbe nicht oder kaum verschiedenen Individuen – oder aber zum Aufbau des Vielzellers, mit mehr oder weniger voneinander abhängigen, mit Sonderaufgaben betrauten Zellen. Zellkolonien Alle Zellen eines „Verbandes sind von gleichem Bau und vollbringen dieselben Leistungen. Blaualgen, Bakterien, Kieselalgen oder Schraubenalgen bilden solche Zellkolonien. Echte Vielzeller Von den Moosen an aufwärts treffen wir stets echte Gewebe, d. h. Verbände von Zellen mit gleichem Bau und gleicher Leistung. Als Beispiel diene das Palisadengewebe im Blatt einer Samenpflanze. Es besteht aus vielen längsgestreckten, chlorophyllreichen, assimilierenden Zellen. Verschiedene Gewebe bilden miteinander ein Organ, d.h. einen Körperteil von bestimmter Gestalt und Aufgabe. Endlich sind verschiedene Organe Glieder des vielzelligen Organismus. Durch Entfernung von Organen machen wir das Lebewesen zum Krüppel. Die ursprüngliche Ganzheit ist gestört. Durch Wiedererzeugung der verlorenen Teile (Restitution) wird sie wieder hergestellt. So kann aus einem Weidensteckling wieder eine vollständige Weidenpflanze hervorgehen. 2. Die Organe der Sprosspflanzen Unter Sprosspflanzen verstehen wir die Farnartigen und die Samenpflanzen. Sie sind klar gegliedert in Wurzel, Stängel und Blatt. Alle Pflanzenteile lassen sich auf diese Grundorgane zurückführen. Stängel und Blatt werden als Spross zusammengefasst. Der ganze Körper ist von Leitbündeln durchzogen, welche gesonderte Elemente für den Wasser- und den Assimilate-Transport aufweisen. Die Wurzel Wurzelspitze: 1 Vegetationskegel 3 Epidermis 5 Wurzelrinde 2 4 6 Wurzelhaube Endodermis Zentralzylinder Die Wurzeln wachsen also durch Spitzenwachstum. Im Bildungsgewebe des Vegetationskegels findet Zellvermehrung und anschließend Streckung statt. Die Wurzelspitze wird im Boden vorgeschoben und zwängt sich zwischen den Erdteilchen und Steinchen hindurch. 4 Der Stängel Das Längenwachstum des Stängels verläuft ähnlich wie das der Wurzeln. Im Bildungsgewebe des Vegetationskegels an der Stängelspitze findet fortwährend Zellteilung statt, dahinter Zellstreckung und in noch grösserem Abstand Zelldifferenzierung statt. In der Nähe der Sprossspitze entstehen die Blattanlagen, welche schnell wachsen und den Vegetationskegel überwölben. Sie bilden mit ihm eine Knospe. Innerer Bau des jungen Stängels: B GZ S HZ G HZ Gefässe HZ Holzzellen Siebröhren GZ Geleitzellen Kambium Bündelscheide Primäre rinde Mark zweikeimblättrig einkeimblättrig Die Laubblätter Laubblätter sind in Form und Größe vielgestaltete Pflanzenorgane, die an der Sprossachse sitzen und verschiedene Blattstellungen aufweisen. Der Bau des Laubblattes Ein Laubblatt besteht im Wesentlichen aus der Blattspreite, den Blattadern, dem Blattstiel und dem Blattgrund. Der Blattgrund ist die Ansatzstelle des Blattstieles an der Sprossachse. Er kann verschiedengestaltig sein und wie bei der Erbse und Rose zu Nebenblättern auswachsen. Der Blattstiel trägt die Blattspreite. Bei Gräsern fehlt ein Blattstiel. Bei ihnen ist der Blattgrund zu einer röhrenförmigen Blattscheide umgebildet, die den Halm umschließt. Am Übergang von der Blattscheide zur Blattspreite befindet sich meist ein Blatthäutchen. Die Form der Laubblätter, die Ausbildung des Blattrandes und die Blattstellungen an den Sprossachsen können sehr unterschiedlich sein. Sie 5 ermöglichen in vielen Fällen eine genaue Bestimmung von Pflanzenarten. Der Blattrand kann unterschiedlich ausgebildet sein, Blattrandformen sind z.B. ganzrandig, gebuchtet, gesägt oder gezähnt (siehe Bilder). Auch die Blattspreite besitzt verschiedene Formen. Bei den Blattspreitenformen unterscheidet man beispielsweise herzförmige, pfeilförmige, rundliche oder schildförmige Laubblätter. Bei manchen Pflanzen sind die Laubblätter aus mehreren Blättchen zusammengesetzt. Diese zusammengesetzten Laubblätter nennt man nach der Anzahl und Anordnung der Teilblättchen dreizählig, gefingert, paarig gefiedert oder unpaarig gefiedert (siehe Bild). Einige Blattspreitenformen eiförmig herzförmig länglich nadelförmig herzförmig rundlich länglich oval nierenförmig oval Einige Blattrandformen doppelt gesägt ganzrandig gebuchtet gekerbt gesägt gezähnt Bau der Blattspreiten doppelt gefiedert gelappt handförmig geteilt paarig gefiedert ungeteilt unpaarig gefiedert Die Blattspreite ist der flächige Teil des Laubblattes. Sie wird von den Blattadern (Blattnerven) durchzogen. Die Blattadern bestehen aus Festigungsgewebe mit den Leitbündeln. Sie verleihen dem Blatt die nötige Festigkeit und dienen dem Stofftransport. Die Anordnung der Leitbündel ist ein wichtiges Unterscheidungskriterium von ein- und zweikeimblättrigen Pflanzen. Während die Blattadern bei einkeimblättrigen Pflanzen meist parallel verlaufen, sind sie bei zweikeimblättrigen Pflanzen netzartig verzweigt. Von einem Hauptstrang, auch als Mittelrippe bezeichnet, zweigen Nebenstränge ab, die sich untereinander zu einem Netzwerk verbinden. Am Laubblattquerschnitt erkennt man mit dem Mikroskop einen typischen Schichtaufbau. 1 2 3 4 5 6 7 obere Epidermis Palisadengewebe Schwammgewebe Interzellulare untere Epidermis Spaltöffnungen Schliesszellen 6 Die obere Epidermis ist meist einschichtig. Ihre Zellen sind fugenlos aneinander gefügt und haben in der Regel keine Chloroplasten. Die äußeren Zellwände der oberen Epidermis sind oft verdickt und von einem dünnen Häutchen, der Kutikula, geschützt. Durch sie wird die obere Epidermis fast undurchlässig für Wasserdampf und andere Gase. Neben dem Schutz vor mechanischer Beschädigung schützt die obere Epidermis die Blätter vor Infektionen durch Mikroorganismen. Unter der oberen Epidermis befindet sich das Palisadengewebe. Es besteht aus säulenförmigen Zellen, die senkrecht zur Blattoberfläche stehen und etwa 80 der Chloroplasten enthalten. In den Chloroplasten finden Stoff- und Energiewechsel statt. Dabei werden mithilfe von Lichtenergie energiearme, anorganische Stoffe in energiereiche, organische Stoffe, z. B. Traubenzucker, umgewandelt. Unterhalb des meist einschichtigen Palisadengewebes befindet sich das Schwammgewebe. Die Zellen des Schwammgewebes sind in einem lockeren Verband angeordnet und enthalten ebenfalls Chloroplasten. Sie dienen vor allem der Fotosynthese. Die zum Teil recht großen Interzellularen (Zellzwischenräume) bewirken, dass das Schwammgewebe eine beträchtliche innere Oberfläche erreicht. Durch die Interzellularen erfolgt der Gasaustausch des Laubblattes mit der Umwelt. Das Kohlenstoffdioxid gelangt durch die Interzellularen zu den Zellen des Schwamm- und Palisadengewebes. Der Wasserdampf z. B. kann in umgekehrter Richtung über die Interzellularen durch die Spaltöffnungen an die Umgebung abgegeben werden. Die untere Epidermis ist das Schutz- und Abschlussgewebe der Blattunterseite. Sie erfüllt zwei völlig entgegengesetzte Aufgaben. Einmal schützt sie die Pflanze durch ihre geschlossenen Spaltöffnungen vor der Außenluft. Zur 7 Regulierung des Gasaustausches befinden sich in der unteren Epidermis Spaltöffnungen. Sie bestehen aus zwei Schließzellen und einem dazwischen liegenden Spalt. Gasaustausch im Laubblatt Die Gefäße der Sprossachse leiten das Wasser bis in die Blätter. Dort wird das Wasser verteilt. Aus den Gefäßen der Blattzellen gelangt das Wasser in die Interzellularen. Es vermischt sich mit der dort vorhandenen Luft, es entsteht Wasserdampf. In den Interzellularen befindet sich eine höhere Anzahl von Wasserdampfteilchen als in der Außenluft. Nach den Gesetzen der Diffusion wandern die Wasserdampfteilchen durch den Spalt zwischen den Schließzellen in die wasserdampfärmere Außenluft. Die Wasserdampfabgabe wird durch die Spaltöffnungen reguliert. Das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen erfolgt durch die zwei meist bohnenförmigen Schließzellen. Wenn die Wasserversorgung der Pflanzen gesichert ist, vergrößert sich der Zellinnendruck der Schließzellen und die Öffnung des Spaltes erweitert sich. Der Wasserdampf wird an die Außenluft abgegeben. Bei Wassermangel erschlaffen die Schließzellen und der Spalt zwischen ihnen wird geschlossen (siehe Bild). Diese regulierte Wasserdampfabgabe der Pflanze durch die Spaltöffnungen bezeichnet man als Transpiration (Verdunstung). Die Transpiration wird durch Umweltbedingungen beeinflusst, z.B. von der Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung (Wind). So ist die Wasserverdunstung der Pflanzen an heißen Tagen beträchtlich. Ein Quadratmeter Blattfläche einer Birke transpiriert etwa 200 ml Wasser pro Tag. Bei einer Blattfläche von 300 Quadratmetern ergibt das eine tägliche Wassermenge von 60 Litern bei normaler Witterung. In Trockenzeiten kann die Verdunstung auf 400 Liter pro Tag ansteigen. 8 Die Spaltöffnungen der Pflanzen regeln nicht nur die Transpiration. Pflanzen benötigen zum Leben auch Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Durch Diffusion gelangen beide Stoffe durch die Spaltöffnungen sowohl in das Blattinnere als auch wieder in die Außenluft. Dieser Vorgang der Aufnahme und Abgabe von Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff durch die Spaltöffnungen wird Gasaustausch genannt. Fotosynthese Durch die Fotosynthese wird Sonnenenergie genutzt, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Kohlenhydrate zu synthetisieren. Die Pflanzen sind auf der Basis dieser Assimilation in der Lage, alle körpereigenen Stoffe aus anorganischen Stoffen aufzubauen. Die Bilanzgleichung der Fotosynthese stellt die Umkehrung der Zellatmung dar: 6 CO2 6 H2O Fotosynthese Atmung C6H12O6 6 O2 Die Orte der Fotosynthese in den Zellen der Pflanzen sind die Chloroplasten. Die Fotosynthese ist vorrangig von der Energie des Sonnenlichtes, der Temperatur und dem Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft abhängig, wobei jede Art ihre spezifischen Ansprüche an die Umwelt hat. Feinbau des Chloroplasten: Stromathylakoide Zur Oberflächenvergrößerung ist die innere Membran lamellenartig eingestülpt. Geldrollenartige Stapel der Thylakoidmembranen werden als Granathylakoide („Körner), einfache Lamellen im Bereich des Stromas als Stromathylakoide bezeichnet. Granathylakoide Die Pflanzen nutzen nur die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes zur Fotosynthese. Die im Chloroplasten vorkommenden Farbstoffe (Pigmente) stellen die Lichtenergie durch Absorption den Pflanzen zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Chlorophylle und Carotinoide absorbieren vorwiegend Wellenlängen des blauen und roten Bereiches. So entsteht im mittleren Bereich des sichtbaren Lichtes eine „Grünlücke. Quellen: Duden Paetec, Biologie Lehrbuch SII Kurt Aulich, Pflanzenkunde Band 1 Weberling Schwante, Pflanzensystematik 9