Botanik für Dummies E-Book

Rene Fester Kratz

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 615

Beschreibung

Ohne Pflanzen wäre das Leben des Menschen auf der Erde undenkbar - sie dienen als Nahrung, Sauerstoff- und Energielieferant, Baustoff und Heilmittel. Und auch das Papier, auf dem Sie Ihre Antworten in der Botanikklausur niederschreiben müssen, war vermutlich mal ein Baum. Das macht die Klausur natürlich nicht einfacher. Aber keine Sorge, dieses vollfarbige Buch gibt ihnen einen umfassenden und leicht verständlichen Überblick über die Botanik, von den zellbiologischen Grundlagen über die verschiedenen Pflanzengewebe und -strukturen bis hin zu Physiologie, Genetik, Systematik und Ökologie. Themen wie Biodiversität, Biotechnologie, die heimische Pflanzenwelt und die Bedeutung von Pflanzen für den Menschen runden das Buch ab.

Leseprobe

Botanik für Dummies

Schummelseite

DIE WICHTIGSTEN ZELLBESTANDTEILE UND IHRE FUNKTION:

Zellbestandteil

Hauptfunktion

Zellwand

Schutz, Struktur und Stabilität der Zelle

Plasmamembran

Kontrolle des Stoffaustauschs zwischen Zellen, Aufrechterhaltung des Zellmilieus

Zytoskelett

Gerüstmaterial für die Zelle; Bildung von Transportwegen für Vesikel und andere Organellen innerhalb der Zelle

Plasmodesmen

Stofftransport zwischen Zellen

Zentralvakuole

Speicherung von Wasser und anderen Stoffen, Aufrechterhaltung des Turgordrucks der Zelle

Zellkern

Speicherort der Erbinformation, Ort der DNA-Replikation und Transkription

Chloroplasten

Ort der Photosynthese

Mitochondrien

Energiegewinnung, Ort der Zellatmung

Glattes ER

Produktion von Lipiden

Raues ER

Produktion von Proteinen (Translation und Proteinmodifikation)

Golgi-Apparat

Empfang und Weiterleitung von Vesikeln

Peroxisom

Abbau von Lipiden

Vesikel

Stofftransport innerhalb der Zelle (Transport-Vesikel) oder aus der Zelle hinaus (Sekretorische Vesikel); Einlagerung und Abbau von Abfallstoffen (Lysosomen)

DIE WICHTIGSTEN PFLANZENGEWEBE IM ÜBERBLICK

Gewebe

Zelltypen

Funktion

Ort

Leitungsgewebe

- Xylem besteht aus Tracheen und Tracheiden

- Phloem besteht aus Siebröhren- und Begleitzellen

- Xylem: Wassertransport

- Phloem: Nährstofftransport

In Spross, Blättern und Wurzeln

Abschlussgewebe (Epidermis)

Parenchym

Schützt das Pflanzengewebe und verhindert Wasserverlust

Äußere Schicht von Spross, Blättern und Wurzeln

Grundgewebe

Parenchym

Kollenchym

Sklerenchym

Aufbau des Pflanzenkörpers

In Spross, Blättern und Wurzeln

Meristeme

Parenchym

Produktion neuer Pflanzengewebe

In Triebspitzen, Wurzelspitzen und Knospen. Bei Holzpflanzen in einem Ring um den Stamm

DER LEBENSZYKLUS EINER PFLANZE

Die meisten Pflanzen wechseln während ihres Lebenszyklus zwischen zwei Formen: der Sporophyten-Generation und der Gametophyten-Generation. Ein kompletter Lebenszyklus einer Pflanze beinhaltet also beide Formen.

Eigenschaften

Sporophyten-Generation

Gametophyten-Generation

Ploidie (= Anzahl der Chromosomensätze)

Diploid, zwei Chromosomensätze

Haploid, ein Chromosomensatz

Art der Zellteilung und deren Funktion

Mitose -> Wachstum

Meiose -> Produktion haploider Sporen, die den Beginn der Gametophyten-Generation darstellen

Mitose -> Wachstum

Mitose -> Produktion haploider Gameten, die sich verbinden, um die Sporophyten-Generation zu bilden

Wie die Generation beginnt

Beginnt, wenn haploide Gameten (Spermium und Eizelle) zu einer diploiden Zygote verschmelzen

Beginnt, wenn der Sporophyt haploide Sporen bildet

Aussehen bei verschiedenen Pflanzenarten

Bei Farnen, Gymnospermen und Angiospermen stellt die Sporophyten-Generation die sichtbare Form (Baum, Strauch, Kraut) dar.

Bei Moosen und Bärlappgewächsen sind die Sporophyten kleine Strukturen, die auf dem Gametophyten wachsen.

Bei Moosen und Bärlappgewächsen stellt die Gametophyten-Generation die sichtbare Form dar.

Bei Farnen sind es kleine, aber unabhängige Strukturen. Bei Gymnospermen und Angiospermen handelt es sich um kleine Strukturen, die vom Sporophyten eingeschlossen sind.

Botanik für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2024

© 2024 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition © 2011 by Wiley Publishing, Inc.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.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2011 by Wiley Publishing, Inc.Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

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 Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: Robert Mertl – stock.adobe.comKorrektur: Jürgen Benvenuti

Print ISBN: 978-3-527-72182-5ePub ISBN: 978-3-527-84724-2

Über die Autorin

Dr. René 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. René 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 die Mitautorin von Biologie für Dummies.

Über den Autor

Dr. Frank Erdnüß studierte Biologie mit den Schwerpunkten Botanik und Naturschutz an den Universitäten Mainz und Marburg. Im Jahr 2000 wurde er an der Universität Koblenz-Landau im Fach Botanik promoviert. Er ist als Scientific Writer tätig und unterstützt seit vielen Jahren unter anderem die Universität Mainz bei der Publikation ihrer Forschungsergebnisse aus Biologie und Medizin. Als Übersetzer der 1. Auflage von »Botanik für Dummies« hat er das Buch jetzt vollständig überarbeitet und ergänzt. Im Jahr 2021 erschien von ihm auch das erste Bestimmungsbuch in der Dummies-Reihe, zur Identifikation der häufigsten Blütenpflanzen in Deutschland.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autorin

Über den Autor

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Grundlagen

Kapitel 1: Botanik verstehen

Der pflanzliche Aufbau im Detail

Wie Pflanzen funktionieren

Reproduktion und genetische Gesichtspunkte

Die unglaubliche Vielfalt im Pflanzenreich

Verbindungen zwischen Pflanzen und Menschen

Kapitel 2: Die Pflanzenzelle unter der Lupe

Von der Materie zum Molekül

Säuren und Basen

Vier Moleküle bestimmen den Zellaufbau

Die Zelle – eine Welt für sich

Die Pflanzenzelle im Detail

Kapitel 3: Pflanzliche Gewebe erkennen

Zellen fusionieren zu Geweben

Kapitel 4: Wurzel, Spross und Blatt – die vegetativen Organe der Pflanze

Arbeitsteilung durch drei Grundorgane

Wachsen mit der Sprossachse

Tiefgründige Wurzeln

Mit Blättern der Sonne entgegen

Kapitel 5: Die generativen Organe - Sporen und Samen in Zapfen und Früchten

Reproduktion mit Sporen

Samen schützen den Nachwuchs

Die Vermehrung mit Zapfen

Die Sprache der Blüten

Samen in Früchten verpackt

Die Verbreitung von Samen und Früchten

Teil II: Pflanzenphysiologie

Kapitel 6: Der pflanzliche Stoffwechsel

Grundlagen des Stoffwechsels

Der Weg der wechselnden Stoffe

Beschleunigung mithilfe von Enzymen

Energietransfer mit ATP

Elektronenübertragung mit Transportmolekülen

Kapitel 7: Die Photosynthese – Grundlage des Lebens

Die Bedeutung des Bodens für die Pflanze

Die Grundlagen der Photosynthese

Die Sonne mit Lichtreaktionen nutzen

Baustoffe und Energie als Zucker speichern mit den Dunkelreaktionen

Kapitel 8: Der selbst gebackene Kuchen wird auch selbst gegessen – die Zellatmung

Die Grundlagen der Zellatmung

Zuckerabbau durch Glykolyse

Einen Schritt weiter – der Citratzyklus

Nutzbare Energie durch Chemiosmose und oxidative Phosphorylierung

Kapitel 9: Stofftransport in der Pflanze

Wie Stoffpakete innerhalb der Pflanze verschickt und empfangen werden

Die Membranpassage

Der Wassertransport

Eine klebrige Sache – der Zuckertransport

Kapitel 10: Die Regulation von Wachstum und Entwicklung

Überblick über Wachstum und Entwicklung von Pflanzen

Signale senden mit Phytohormonen

Bewegung ist gesund – auch für Pflanzen

Wie spät ist es? – Pflanzen registrieren die Jahreszeiten

Teil III: Reproduktion und Genetik

Kapitel 11: Der grüne Planet – Pflanzen vermehren sich

Vermehrung – bei Pflanzen nicht nur auf eine Art

Zellteilungen durch Mitose

Generative Vermehrung durch Meiose

Gedanken zum Generationswechsel

Kapitel 12: Wie Merkmale an die nächste Generation weitergegeben werden

Wie ein einzelnes Gen vererbt wird

Wie zwei unabhängige Gene vererbt werden

Intermediäre Vererbung

Teil IV: Biodiversität im Pflanzenreich

Kapitel 13: Im stetigen Wandel: Evolution und Adaption

Die Grundlagen der Evolution

Wichtige Faktoren der Evolution von Pflanzen

Die wunderbare Anpassungsfähigkeit von Pflanzen

Kapitel 14: Der Baum des Lebens – wie alle Organismen miteinander verwandt sind

Wie der Baum des Lebens organisiert ist

Die Lebewesen organisieren

Die binäre Nomenklatur

Kapitel 15: Typische Pflanzen am Waldboden – Moose und Farne

Die Eroberung des Festlandes

Moose – Pflanzen ohne echtes Gefäßsystem

Samenlose Gefäßpflanzen

Kapitel 16: Ihre Samen sind nackt – die Gymnospermen

Der Same schützt den Embryo

Palmfarne

Ginkgo

Nadelgehölze

Gnetales

Kapitel 17: Sie lassen Blüten sprechen – die Angiospermen

Die ersten Blütenpflanzen

Die Vielfalt der Angiospermen

Gedanken zur Bestäubungsbiologie

Teil V: Pflanzen und Menschen

Kapitel 18: Das ökologische Netz des Lebens

Ökosysteme entdecken

Interaktionen von Organismen

Kapitel 19: Die Flora von Deutschland

Die Macht der Pflanzengemeinschaften

Pflanzenformationen in Deutschland

Der Einfluss des Klimas auf die Vegetation

Kapitel 20: Mensch und Natur

Die Intensität menschlicher Nutzung

Landwirtschaft heute

Forstwirtschaft heute

Kapitel 21: Pflanzen durch Biotechnologie verändern

Gentechnik – nein danke!

Die Pflanze als Baukasten

Der Versuch, eine bessere Welt zu schaffen

Das Für und Wider der Gentechnik – eine Gegenüberstellung

Kapitel 22: Pflanzen im Alltag

Pflanzliche Produkte nutzen

Die Bedeutung pflanzlicher Inhaltsstoffe

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 23: Zehn außergewöhnliche Pflanzen

Stinkende Pflanzen – die Titanwurz

Schlauchpflanzen und Sonnentau fressen Fleisch

Ein galoppierendes Moos

Lebende Steine sind auch Pflanzen

Auferstanden von den Toten

Die seltsame Welwitschia

Hat die Fliegen-Ragwurz Sex mit Insekten?

Das einfache Leben der Nestwurz

Rundum faszinierend – die Riesenseerose

Ein Baum im Baum – die Würgefeige

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 2

Tabelle 2.1: pH-Werte bekannter Flüssigkeiten / Substanzen.

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Sporen und Samen im Vergleich.

Kapitel 9

Tabelle 9.1: Beziehung zwischen der Wasserbewegung in der Pflanze und der Wasser...

Kapitel 10

Tabelle 10.1: Die sechs Hauptgruppen von Phytohormonen

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Taxonomische Gliederung verschiedener Spezies

Tabelle 14.2: Dichotomer Bestimmungsschlüssel am Beispiel der Gattung

Lysimachia

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Echte Farne und ihre nächsten Verwandten.

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Die Dornen der Berberitze (

Berberis vulgaris

) stellen umgebildete ...

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Das Periodensystem der Elemente ...

Abbildung 2.2A: Das Bohr'sche Atommodell am Beispiel von Kohlenstoff....

Abbildung 2.2C: Zwei Sauerstoff-Atome verbinden sich zu einem Sauerstoff-Mol...

Abbildung 2.3: Polar kovalente Bindungen innerhalb von Wassermolekülen ...

Abbildung 2.4: Kohlenhydrate

Abbildung 2.5: Aminosäuren verbinden sich und bilden Proteine.

Abbildung 2.6: Aufbau eines Nukleotids, hier Adenosinmonophosphat, ein RNA-N...

Abbildung 2.7: Synthese eines Polynukleotids.

Abbildung 2.8: Die DNA-Doppelhelix können Sie sich als spiralig gedreht...

Abbildung 2.9: Gesättigte und ungesättigte Bindungen in einem typi...

Abbildung 2.10: Jede einzelne Pflanzenzelle ist in der Lage, alle lebensnotw...

Abbildung 2.11: Das Flüssig-Mosaik-Modell der Plasmamembranen.

Abbildung 2.12: Aufbau und Kompartimente in einer typischen Pflanzenzelle.

Abbildung 2.13: Aufbau und Kompartimente in einer typischen Tierzelle.

Abbildung 2.14: Der Chloroplast.

Abbildung 2.15: Das Mitochondrium.

Abbildung 2.16: Die pflanzliche Zellwand mit Plasmodesmen.

Abbildung 2.17: Fruchtkörper eines Pilzes auf Totholz (© Frank Erd...

Kapitel 3

Abbildung 3.1 Meristematische Zellen.

Abbildung 3.2 Pflanzliche Meristeme.

Abbildung 3.3 Einfache Gewebe der Pflanze.

Abbildung 3.4 Verschiedene Zellen des Wasserleitungsgewebes.

Abbildung 3.5 Bausteine des Phloems.

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Morphologisch-anatomischer Aufbau einer verholzten Sprossachs...

Abbildung 4.2: Anatomie der monokotylen Sprossachse im Querschnitt.

Abbildung 4.3: Anatomie der krautigen, dikotylen Sprossachse im Querschnitt.

Abbildung 4.4: Anatomie der verholzten, dikotylen Sprossachse im Querschnitt...

Abbildung 4.5: Frisch geschälte Korkeichen in Katalonien. Die Korkschic...

Abbildung 4.6: Beispiele für spezialisierte Sprossachsen.

Abbildung 4.7: Sprossranken bei

Parthenocissus quinquefolia

...

Abbildung 4.8: Allorrhize (oben) und homorrhize (unten) Wurzelsysteme.

Abbildung 4.9: Anatomie der dikotylen Wurzel.

Abbildung 4.10: Typische Atemknie einer Sumpfzypresse am Ufer des Lago Maggi...

Abbildung 4.11: Mykorrhiza.

Abbildung 4.12: Anatomie eines typischen Blattes.

Abbildung 4.13a-e: Blatttypen und Blattstellung: a) Blatt der Salweide: einf...

Abbildung 4.14: Bei der Futter-Wicke (

Vicia sativa

) ist die Spitze ...

Abbildung 4.15: Der Weihnachtsstern (

Euphorbia pulcherrima

) ist hierz...

Abbildung 4.16: Der aus China stammende Taschentuchbaum (

Davidia involuc

...

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Aufbau und Keimungsprozess eines dikotylen Samens (Bohne).

Abbildung 5.2: Aufbau und Keimungsprozess eines monokotylen Samens (Mais).

Abbildung 5.3: Aufbau einer typischen Blüte mit oberständigem Fruc...

Abbildung 5.4: Die Position des Fruchtknotens ist ein wichtiges Bestimmungsm...

Abbildung 5.5: Der Lavendel (

Lavandula sp

.) besitzt ährenf...

Abbildung 5.6: Männliche Blütenstände der Salweide (

Salix

...

Abbildung 5.7: Blütenstand des Giersch (

Aegopodium podagraria

)...

Abbildung 5.8: Der Blütenstand des Bocksbart (

Tragopogon sp

.) ...

Abbildung 5.9: Aufbau von Früchten: A. Trockene Frucht (Mais). Hier ist...

Abbildung 5.10: Früchte der Stinkenden Nieswurz (

Helleborus foetidu

...

Abbildung 5.11: Mohnkapsel (

Papaver sp

.) (© Frank Erdnüß).

Abbildung 5.12: Die Samen des Löwenzahns (

Taraxacum officinale

...

Abbildung 5.13: Der Bergahorn (

Acer pseudoplatanus

) hat geflüg...

Abbildung 5.14: Den größten Samen im Pflanzenreich bildet die Seyc...

Abbildung 5.15: Reife Walnuss (

Juglans regia

) – die ...

Abbildung 5.16: Die Hüllblätter des Blütenstands bei der Gro...

Abbildung 5.17: Blühende Zaubernuss (

Hamamelis sp

.) mit ge...

Abbildung 5.18: Frisch gekeimte Kokosnuss (

Cocos nucifera

)...

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Der grundlegende Stoffwechsel im Überblick.

Abbildung 6.2: Typen von Stoffwechselwegen.

Abbildung 6.3: Katalyse durch Enzyme.

Abbildung 6.4: Der Energieträger Adenosintriphosphat (ATP).

Abbildung 6.5: Der ATP-ADP-Kreislauf.

Abbildung 6.6: Redox-Reaktion.

Abbildung 6.7: Der Elektronentransport-Zyklus.

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Das elektromagnetische Spektrum – UKW (Ultrakurzwelle),...

Abbildung 7.2:

Jasminum nudiflorum

blüht im Winter. S...

Abbildung 7.3: Früchte der Feld-Ulme im April (© Frank Erdnüß).

Abbildung 7.4: Absorptionsspektren der photosynthetisch aktiven Pigmente.

Abbildung 7.5: Oxidation und Reduktion während der Photosynthese.

Abbildung 7.6: Die beiden Teile der Photosynthese, die Licht- und die Dunkel...

Abbildung 7.7: Die Lichtreaktionen der Photosynthese (nicht zyklische Photop...

Abbildung 7.8: Das Z-Schema bei der nicht zyklischen Photophosphorylierung.

Abbildung 7.9: Die zyklische Photophosphorylierung.

Abbildung 7.10: Der Calvin-Zyklus.

Abbildung 7.11: Die CAM-Photosynthese, zeitlich getrennt.

Abbildung 7.12: Die C

4

-Photosynthese, räumlich getrennt.

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Vergleich der direkten Verbrennung von Zucker mit Zellatmung,...

Abbildung 8.2: Oxidation und Reduktion während der Zellatmung.

Abbildung 8.3: Die Zellatmung in der Übersicht.

Abbildung 8.4: Die Substratkettenphosphorylierung.

Abbildung 8.5: Die Reaktionsschritte der Glykolyse.

Abbildung 8.6: Der Citratzyklus.

Abbildung 8.7: Die Elektronentransportkette an der inneren Membran der Mitoc...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Der Molekültransport in der Pflanze in der Übersich...

Abbildung 9.2: Diffusion von Molekülen.

Abbildung 9.3: Der Transport von Molekülen durch eine Membran.

Abbildung 9.4: Plasmolyse.

Abbildung 9.5: Kapillarkräfte in unterschiedlich dicken Kapillaren.

Abbildung 9.6: Die Wasserbewegung im Pflanzenkörper.

Abbildung 9.7: Die Druckstromtheorie erklärt den Assimilattransport in ...

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Wents Versuche mit Haferkeimlingen.

Abbildung 10.2: Der Wechsel von Phytochrom zwischen seinen beiden Molek...

Abbildung 10.3: Keimung bei der Aprikose (

Prunus armeniaca

). Zwisch...

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Vegetative und generative Vermehrung bei der Erdbeere.

Abbildung 11.2: Die Zimmerpflanze

Kalanchoe daigremontana

stammt au...

Abbildung 11.3: Der Zellzyklus.

Abbildung 11.4: Die Prozesse von Interphase und Mitose.

Abbildung 11.5: Zytokinese einer Pflanzenzelle.

Abbildung 11.6: Crossing over, normale Meiose und anormale Meiose.

Abbildung 11.7: Die Phasen der Meiose.

Abbildung 11.8: Übersicht zum Generationswechsel bei Pflanzen.

Abbildung 11.9: Das Lebermoos

Marchantia polymorpha

auf feuchter Ba...

Abbildung 11.10: Generationswechsel mit dominantem Gametophyten am Beispiel ...

Abbildung 11.11: Generationswechsel mit dominantem Sporophyten am Beispiel d...

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Die Kreuzungsversuche von Mendel mit weiß und violett b...

Abbildung 12.2: Punnett-Schema bei dihybrider Kreuzung.

Abbildung 12.3: Die unabhängige Anordnung der homologen Chromosomen w...

Abbildung 12.4: Das Punnett-Schema bei intermediärer Vererbung.

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Natürliche Selektion.

Abbildung 13.2: Beim Feigenkaktus (

Opuntia ficus-indica

) betreiben ...

Abbildung 13.3: Agave mit sukkulenten Blättern im Tessin (© Frank ...

Abbildung 13.4: Blühender Säulenkaktus mit gerippter Sprossachse a...

Abbildung 13.5: Brettwurzel von

Mora excelsa

(Fabaceae), ein Baum d...

Abbildung 13.6: Basis einer verholzten Liane (© Frank Erdnüß).

Abbildung 13.7: Epiphytische Bromelie in den Everglades (südliches Flor...

Abbildung 13.8: Diese mit Tillandsien (Bromeliaceae) behangenen Eichen stehe...

Abbildung 13.9: Blühende Gelbe Teichrose (

Nuphar lutea

) in ein...

Abbildung 13.10:

Wolffia globosa

tritt meist in Massen auf und ist ...

Abbildung 13.11: Die winzige Wasserpflanze

Wolffia globosa

eignet s...

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Der aktuelle Baum des Lebens basiert weitgehend auf Erkenntn...

Abbildung 14.2: Kladogramm für drei Taxa.

Abbildung 14.3: Entwicklungsgeschichte der Pflanzenwelt. Die Zahlen in den b...

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Bartflechten in küstennahen Wäldern auf Neuseeland...

Abbildung 15.2: Strauchflechten können auf felsigem Untergrund und bei ...

Abbildung 15.3: Typische Blattflechte auf Totholz (© Frank Erdnüß).

Abbildung 15.4: Braunalgen mit etwa zehn Meter langen Thalli an der Küs...

Abbildung 15.5: Winziges Laubmoos-Polster auf einem Hausdach. Die Glashaare ...

Abbildung 15.6: Thalloses Lebermoos (

Marchantia spec

.) (© Fran...

Abbildung 15.7: Querschnitt durch Thallus (a) und Sporophyt (b) eines thallo...

Abbildung 15.8: Das Laubmoos

(Polytrichum formosum)

hat Stämmc...

Abbildung 15.9: Winziges Laubmoos auf Felsen mit Kapseln. Die Glashaare sch...

Abbildung 15.10: Der Lebenszyklus eines Laubmooses. (© Frank Erdnüß).

Abbildung 15.11: Torfmoos (

Sphagnum spec

.)

Abbildung 15.12:

Lycopodium annotinum

mit Sporophyllständen ...

Abbildung 15.13: Der Moosfarn

Selaginella lewalleana

im tropischen ...

Abbildung 15.14: Der Lebenszyklus bei der Gattung

Lycopodium

...

Abbildung 15.15: Der Lebenszyklus bei der Gattung

Selaginella

(hete...

Abbildung 15.16: Rein vegetativer Trieb des Acker-Schachtelhalms (

Equise

...

Abbildung 15.17:

Psilotum nudum

wächst an der Basis e...

Abbildung 15.18: Der Frauenfarn (

Athyrium filix-femina)

hat doppelt...

Abbildung 15.19: Baumfarn in Neuseeland, unten rechts ein junger, noch einge...

Abbildung 15.20: Lebenszyklus eines Schachtelhalms.

Abbildung 15.21: Verbreitung der Sporen aus dem Sporangium eines Echten Farn...

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Samen von Gymnospermen und Angiospermen im Vergleich.

Abbildung 16.2: Früchte an einem weiblichen Ginkgo-Baum (© Frank E...

Abbildung 16.3: Junger Palmfarn (

Cycas revoluta

) (© Frank Erdn...

Abbildung 16.4: Bei Tannen (

Abies sp.

) stehen die Zapfen aufrecht u...

Abbildung 16.5: Araukarien (

Araucaria sp.

) werden auch bei uns gern...

Abbildung 16.6: Eibe (

Taxus baccata

) mit roten Früchten...

Abbildung 16.7: Querschnitt durch eine Kiefernnadel.

Abbildung 16.8: Ast einer Kiefer (

Pinus sylvestris

) mit jungem weib...

Abbildung 16.9: Der Lebenszyklus eines Nadelgehölzes am Beispiel der Ki...

Abbildung 16.10:

Ephedra sinica

mit Blüten (© mimi@TOKYO ...

Abbildung 16.11:

Welwitschia mirabilis

in der Namib-Wüste...

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Blüte einer Magnolie (

Magnolia sp

.) (© Fr...

Abbildung 17.2: Blüte des Kriechenden Hahnenfuß (

Ranunculus re

...

Abbildung 17.3 und 17.4: Sonnenblume (

Helianthus annuus; links

) und...

Abbildung 17.5: Das Knäuelgras (

Dactylis glomerata

), links mit...

Abbildung 17.6: Die Keimung eines Pollenkorns.

Abbildung 17.7: Der Lebenszyklus der Angiospermen am Beispiel einer zwittrig...

Abbildung 17.8: Der Judasbaum (

Cercis siliquastrum

) mit typischer S...

Abbildung 17.9: Blütenstand von

Euphorbia characias

(Euphorbia...

Abbildung 17.10: Blüte der Wildtulpe (

Tulipa sylvestris

) mit s...

Abbildung 17.11 und 17.12: Epiphytische Orchidee mit Pseudobulben auf Sri La...

Abbildung 17.13: Die roten Blüten des Hibiskus werden von Vögeln b...

Abbildung 17.14: Blütenstand einer Bananenstaude (Musa sp.). Die wei...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Die Energieströme in einer Nahrungskette.

Abbildung 18.2: Die Energiepyramide.

Abbildung 18.3: Der Kreislauf des Kohlenstoffs.

Abbildung 18.4: Der Kreislauf des Stickstoffs.

Abbildung 18.5: Strauchflechte der Gattung

Cladonia

mit roten Fruch...

Abbildung 18.6: Epiphytischer Farn im temperierten Regenwald Neuseelands...

Abbildung 18.7: Der rötlich gefärbte Teufelszwirn (

Cuscuta sp

...

Abbildung 18.8: Diese Mistel (

Viscum album

) parasitiert auf einem A...

Kapitel 19

Abbildung 19.1: Weideflächen in Neuseeland (© Frank Erdnüß).

Abbildung 19.2: Temperierter Regenwald mit Baumfarnen in Neuseeland (© ...

Abbildung 19.3: Sukzession auf einem 250 Jahre alten Lavafluss im Westen Kan...

Abbildung 19.4: Die Moosbeere (

Vaccinium oxycoccus

) ist eine typisc...

Abbildung 19.5: Sumpf-Weidenröschen (

Epilobium palustre

)...

Abbildung 19.6: Das Gewöhnliche Ferkelkraut (

Hypochaeris radicata

...

Abbildung 19.7: Der Acker-Gauchheil (

Anagallis arvensis

) kommt nich...

Abbildung 19.8: Winteraspekt eines bachbegleitenden Erlenwaldes in einem deu...

Abbildung 19.9: Die Blüte der Kornelkirsche (

Cornus mas

) verab...

Abbildung 19.10: Kiefern-Trockenwald in der Nähe des Frankfurter Flugha...

Abbildung 19.11: Der Waldmeister (

Galium odoratum

) ist typisch f...

Abbildung 19.12: Alpenrosen (

Rhododendron sp

.) gehören zu den ...

Abbildung 19.13: Enzian (

Gentiana sp.

) ist eine typische Pflanze de...

Abbildung 19.14: Ein typischer Geophyt ist der Bärlauch (

Allium urs

...

Abbildung 19.15: Der Farn Asplenium ceterach in einer Felsnische im Tessin (...

Abbildung 19.16: Statt Lorbeerkirschen (

Prunus laurocerasus

) w...

Abbildung 19.17: Apfelblüten (

Malus sp

.) (© Frank Erdnüß).

Abbildung 19.18: Algenblüte in einem See. Man erkennt die bis zu einem ...

Abbildung 19.19: Reife Weizenähren Anfang August (© Frank Erdnüß).

Abbildung 19.20: Erosion auf einen geschotterten Waldweg im Taunus. Auf vege...

Kapitel 20

Abbildung 20.1: Fruchtkörper verschiedener Pilze (© Frank Erdnüß).

Abbildung 20.2: Mindestens 500 Jahre alte Hute-Eiche (

Quercus robur

...

Abbildung 20.3: Die Ursprünge des Ackerbaus weltweit. Angegeben sind di...

Abbildung 20.4: Duftende Rapsfelder (

Brassica napus

) im Frühja...

Abbildung 20.5: Rehbock im sommerlichen Wald (© Frank Erdnüß).

Abbildung 20.6: Aufgeforstete Kalamitätsfläche im Taunus. Die neu ...

Abbildung 20.7: Die schön blühende Esskastanie (

Castanea sativ

...

Kapitel 21

Abbildung 21.1: Übersicht zur pflanzlichen Gewebekultur.

Abbildung 21.2: Restriktionsenzyme.

Abbildung 21.3: Ein spezielles Gen wird in das Ti-Plasmid eingeschleust.

Abbildung 21.4: Die genetische Manipulation einer Pflanze mit

Agrobacter

...

Kapitel 22

Abbildung 22.1:

Vanilla planifolia

ist eine epiphytische Orchidee. ...

Abbildung 22.2: Die Papierherstellung.

Abbildung 22.3: Die Herstellung von Biokraftstoffen.

Abbildung 22.4: Blühender Fingerhut (

Digitalis purpurea

) im Ju...

Abbildung 22.5: Der Oleander (

Nerium oleander

) stammt aus dem Mitte...

Abbildung 22.6: Die Tollkirsche (

Atropa belladonna

) mit Blüten...

Abbildung 22.7: Der Eisenhut (

Aconitum sp

.) ist eine der giftigsten...

Abbildung 22.8: Tee (

Camellia sinensis

) wird auf Sri Lanka noch imm...

Abbildung 22.9: Beim Fliegenpilz (

Amanita muscaria

) gilt: Die Dosis...

Kapitel 23

Abbildung 23.1: Die Schlauchpflanze

Sarracenia purpurea

(© Fra...

Abbildung 23.2: Blühende Nestwurz (

Neottia nidus-avis

) im Taun...

Abbildung 23.3: Die Blätter der Riesenseerose weisen auf der Unterseite...

Abbildung 23.4: Würgefeige (

Ficus benghalensis

) in einem Park ...

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autorin

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

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Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

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Einleitung

Mittlerweile hat sich »grün« in vielen Bereichen durchgesetzt: Technologien, Energie und Lebensweise sollten möglichst grün sein – diese Meinung vertreten auch in der Politik heute nicht mehr allein »Die Grünen«. 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 Wiesen 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

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. Unser 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. Wir hoffen, dass es Ihnen ebenso geht wie uns, als wir mit dem Studium der Botanik begannen: Wir waren 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, haben wir die folgenden Stilmittel beziehungsweise Formatierungen verwendet:

Kursivschrift

wird für Begriffe verwendet, die neu auftreten und anschließend definiert werden. Außerdem werden die wissenschaftlichen Namen von Pflanzen und Tieren stets kursiv gedruckt.

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.

Das Symbol »Techniker« weist auf Hintergrundinformationen hin, die für ein Verständnis des jeweiligen Sachverhaltes nicht unbedingt gelesen werden müssen.

Internetadressen

sind durch den Schrifttyp

Monofont

gekennzeichnet, sodass sie leicht wiedergefunden werden können.

Törichte Annahmen über den Leser

Beim Schreiben des Buches haben wir uns immer wieder gefragt, wer es wohl lesen wird. Welche Zielgruppe wollen wir erreichen. Wir wissen 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 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 ist aber, 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 erläutert 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 versuchen wir, 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. Wir betrachten dann die erfolgreichste Gruppe genauer, die Gefäßpflanzen, die in Deutschland mit etwa 4.000 verschiedenen Arten an den unterschiedlichsten Standorten vertreten sind.

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 zeigen wir Ihnen, wie wichtig Pflanzen für eine gesunde Umwelt sind und erläutern ihre zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten, von der Entwicklung neuer Arzneimittel über Kleidung, Treibstoff und Nahrung bis hin zu Baumaterialien. Dabei kommt der Land- und Forstwirtschaft eine zentrale Bedeutung zu, nicht zuletzt auch deshalb, weil der Klimawandel ganz neue Herausforderungen mit sich bringt. Dass die moderne Gentechnik dabei genauso wenig ignoriert werden kann wie die fortschreitende Digitalisierung bei der Bewirtschaftung, wird kaum verwundern.

Teil 6: Der Top-Ten-Teil

Dieser letzte Teil eines jeden »Dummies«-Buchs besteht aus kurzen Kapiteln mit jeweils etwa zehn Themen. In diesem Buch ist es nur ein Kapitel, in dem zehn außergewöhnliche Geschichten aus der Pflanzenwelt erzählt werden.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Die folgenden Symbole werden wie in jedem »Dummies«-Buch verwendet, damit Sie sich leichter orientieren können.

Die Glühbirne als Symbol für den Kern der Sache. Das Symbol markiert Informationen, die Ihnen dabei helfen sollen, die wesentlichen Informationen besser zu behalten und weist auf praktische Eselsbrücken hin.

Das Symbol »Techniker« bezeichnet Hintergrundinformationen, die für ein Verständnis des jeweiligen Sachverhaltes nicht unbedingt gelesen werden müssen. Wenn Sie jedoch etwas mehr als nötig wissen möchten, können Sie diesen Text gern lesen.

Der erhobene Zeigefinger ersetzt sozusagen den gelben Textmarker. Informationen hinter diesem Symbol gilt es im Gedächtnis zu behalten. Falls das nicht immer gelingt, können Sie sich mithilfe dieses Symbols ganz schnell wieder einen Überblick über das ein oder andere Thema verschaffen.

Mit diesem Symbol soll auf Missverständnisse und Fallstricke hingewiesen werden. Wenn Sie den vorstehenden Textabschnitt nur flüchtig gelesen haben, achten Sie bitte besonders auf diesen Warnhinweis.

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 4 an und lernen die unterschiedlichen Pflanzengruppen kennen. Wenn Sie jedoch gerade einen Grundkurs Botanik an der Universität absolvieren, sollten Sie bei den Grundlagen in Teil 1 beginnen.

Wir hoffen beide, dass Sie diese Reise durch die Pflanzenwelt genießen und am Ende unsere Begeisterung für die Botanik etwas nachvollziehen können.

Teil I

Grundlagen

IN DIESEM TEIL …

In diesem ersten Teil des Buches machen wir 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. Vielleicht sind Sie überrascht, 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 machen sogar Sex. Viele Nahrungsmittel sind beispielsweise das Produkt der sexuellen Vermehrung von Pflanzen.

Kapitel 1

Botanik verstehen

IN DIESEM KAPITEL

Von der Zelle zur PflanzeWie Pflanzen funktionierenPflanzen 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 cool. 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 bei der Platterbse zum Erklimmen von Zäunen, Blattdornen bei der Berberitze (siehe Abbildung 1.1) als Fraßschutz oder dickfleischige Blätter als Wasserspeicher bei Sukkulenten.

Abbildung 1.1: Die Dornen der Berberitze (Berberis vulgaris) stellen umgebildete Blätter und Nebenblätter dar (© Frank Erdnüß).

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 oder beim heimischen Pfaffenhütchen. Andere Sprosse wiederum kriechen horizontal am Boden entlang und bilden in gewissem Abstand immer wieder neue Pflanzen – wir kennen das zum Beispiel bei 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 aufwendige 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 veränderte 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:

Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenenergie zusammenfügen, sodass sich die Atome neu ordnen können: Es entstehen Kohlenhydrate (Zucker) und Sauerstoff.

Dann den Zucker als Nahrungs- beziehungsweise Energiequelle in allen Bereichen des pflanzlichen Organismus bereitstellen und den Sauerstoff als Abfall entsorgen.

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 wie Unkraut in 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. Vor rund 450 Millionen Jahren waren es Moose, die erstmals das Festland besiedelten, und seitdem haben die Pflanzen 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 Algen und 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 aufrechterhalten 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 21

).

Der Anbau von Nahrungspflanzen.

Der Ursprung des menschlichen Ackerbaus reicht mehr als 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 22

).

Der Mensch nutzt Pflanzen als Arzneimittel.

Zwei Beispiele sind hier die Herzglykoside des Fingerhuts und das aus Weidenrinde isolierte Salicin. Letzteres wird heute synthetisch hergestellt und ist Ihnen als Aspirin bekannt (siehe

Kapitel 22

).

Pflanzen sind Grundlage für wichtige Materialien.

Holz für Hausbau, Möbel und Werkzeuge ist aus unserem Alltag kaum wegzudenken, Kautschuk liefert der tropische Baum

Hevea brasiliensis

und 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.

Stress zu reduzieren ist äußerst wichtig, denn er hat negative Auswirkungen auf unsere Gesundheit. Wie beruhigend ein Aufenthalt in der Natur auf viele Menschen wirkt, kann man auch an den vielen Angeboten zum »Waldbaden« ablesen.

Pflanzen helfen bei der Gewässerreinhaltung.

Das Verschwinden von Feuchtgebieten hat alarmierende Ausmaße angenommen. Sie fallen immer noch neuen Entwicklungsprojekten zum Opfer, obwohl ihre Bedeutung klar ist. Der Lebensraum Feuchtgebiet zeichnet sich durch spezielle 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, was die Gefahr von Überflutungen verringert, und Wasservögel schätzen sie als Brut- und Nahrungsplätze.

Egal was man in den Vordergrund stellt, die Ähnlichkeiten zwischen Pflanzen und anderen Organismen, ihre Schönheit oder ihre Nützlichkeit für den Menschen – man wird sicher immer ein paar gute Gründe finden, um mehr über Pflanzen zu erfahren.

Kapitel 2

Die Pflanzenzelle unter der Lupe

IN DIESEM KAPITEL

Wie Atome Moleküle bildenZellen bestehen aus MolekülenPflanzenzellen im Detail

Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut, auch die Pflanzen. Ihr Aussehen (Morphologie) und ihre Funktionsweisen (Physiologie) hängen von diesen Zellen ab. Daher ist es wichtig, dass Sie zuerst die zellulären Grundlagen verstehen, bevor Sie sich den übrigen Aspekten der Botanik in diesem Buch widmen. In diesem Kapitel geben wir Ihnen einen zusammenfassenden Überblick über das Wesen der Pflanzenzelle und über die Moleküle, die am Zellaufbau beteiligt sind.

Von der Materie zum Molekül

Als Materie wird all das bezeichnet, was Platz braucht und etwas wiegt. Somit besteht eigentlich alles auf dieser Erde aus Materie, sowohl die Lebewesen als auch die leblose Umwelt (Steine, Wasser und so weiter).

Genau wie Sie, lieber Leser, oder die Luft, die wir atmen, oder das Buch in Ihren Händen, so sind auch Pflanzen aus Materie aufgebaut. Wahrscheinlich sind Ihnen einige der Moleküle bereits bekannt, die Materie auf unserem Planeten bilden, wie etwa die Proteine, Fette und Kohlenhydrate in unserem Körper oder die Zellulose in Büchern. Auch von Kohlendioxid und Sauerstoff in der Luft hat wohl jeder schon einmal gehört. Pflanzen bestehen aus denselben Molekülen wie wir und auch sie tauschen Sauerstoff und Kohlendioxid mit der Atmosphäre aus. In den folgenden Abschnitten werden diese Moleküle vorgestellt und die Atome, aus denen sie aufgebaut sind.

Elemente, Atome und Isotope entdecken

Materie kann aus ganz unterschiedlichen Elementen bestehen. Bekannt sind Ihnen sicher Elemente wie Kupfer, Eisen, Chlor und Kalzium. Als Elemente bezeichnet man reine Substanzen, die nur aus einer Art von Atomen bestehen. Ein Atom wiederum ist das kleinste Teilchen eines Elements, das noch die Eigenschaften dieses Elements aufweist. Ein Beispiel: Das Element Kupfer ist ein glänzendes Metall, das elektrischen Strom sehr gut leitet und mit anderen Elementen auf bestimmte Art und Weise reagiert. Eisen ist ebenfalls ein metallisches Element, das jedoch andere elektrische und chemische Eigenschaften hat als Kupfer. Wenn man nun jeweils ein einzelnes Atom aus den beiden Metallen isolieren könnte – Atome sind so winzig, dass sie noch nicht einmal unter dem Mikroskop zu sehen sind –, dann hätten diese beiden Atome immer noch die gleichen Eigenschaften wie ihre Muttermetalle (zum Beispiel in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit und die chemische Reaktionsbereitschaft).

Alle Elemente, die bis heute identifiziert und wissenschaftlich beschrieben wurden, sind im sogenannten »Periodensystem der Elemente« zusammengestellt (siehe Abbildung 2.1):

Jede Reihe der Tabelle wird

Periode

genannt.

Je weiter man von links nach rechts fortschreitet, desto schwerer werden die Elemente.

Jede Spalte heißt

Gruppe

.

Elemente einer Gruppe haben ähnliche Eigenschaften. Innerhalb einer Spalte nimmt die Größe der Atome von oben nach unten zu.

Abbildung 2.1: Das Periodensystem der Elemente (Quelle: Ortanderl, Ritgen: »Chemie für Dummies. Das Lehrbuch«, 2. Auflage, Wiley-VCH; ISBN: 78-3-527-71572-5).

Elemente und Atome

Kein Element gleicht dem anderen. Elemente unterscheiden sich durch den Aufbau ihrer Atome. Atome bestehen aus kleineren Einheiten, den Protonen, Neutronen und Elektronen (siehe Abbildung 2.2A).

Abbildung 2.2A: Das Bohr'sche Atommodell am Beispiel von Kohlenstoff.

Abbildung 2.2B: Die Ionen (Teilchen mit elektrischer Ladung, siehe unten) von Natrium und Chlor verbinden sich zu Kochsalz. Chlor nimmt ein Elektron von Natrium auf und ist dann insgesamt einfach negativ geladen (18 Elektronen gegenüber 17 Protonen). Das so entstandene Natrium-Ion hat eine einfach positive Ladung, weil die Zahl seiner Protonen diejenige der Elektronen um eins übersteigt. Als NaCl in einer Ionen-Verbindung ist das Kochsalz-Molekül dann wieder neutral.

Abbildung 2.2C: Zwei Sauerstoff-Atome verbinden sich zu einem Sauerstoff-Molekül, das wir als Gas kennen.

Protonen und Neutronen befinden sich im Zentrum des Atoms, im sogenannten

Atomkern

.

Beide haben eine bestimmte Masse und tragen so maßgeblich zu Größe und Gewicht des Atoms bei. Protonen sind positiv geladen, Neutronen haben keine elektrische Ladung.

Elektronen sind negativ geladene Teilchen, die in Schalen angeordnet eine Art Wolke rund um den Atomkern bilden.

Elektronen haben keine Masse.

Ionen und Isotope

Die Anzahl von Protonen in einem Atom, die sogenannte Protonenzahl, bestimmt, um welches Element es sich handelt. Alle Eisenatome (Fe) haben beispielsweise 26, alle Kupferatome (Cu) dagegen 29 Protonen. Die Protonenzahl ist gleichzeitig auch die Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente (Abb. 2.1).

Während die Anzahl von Protonen eines Elements stets gleich ist, kann sich die Anzahl der Elektronen und Neutronen verändern.

Wenn ein Atom ein Elektron verliert oder eines dazugewinnt, wird es zum

Ion

.

Ionen haben eine elektrische Ladung (positiv oder negativ), wohingegen Atome elektrisch neutral sind. Bei ihnen ist die Zahl der positiv geladenen Protonen und die der negativ geladenen Elektronen exakt gleich, sodass sich die Ladungen aufheben. Durch Verlust oder Zugewinn von Elektronen werden Atome also zu Ionen. Folglich gibt es negativ und positiv geladene Ionen, wie zum Beispiel in

Abbildung 2.2B

dargestellt. Das Natrium-Atom reagiert mit dem Chlor-Atom, indem es ein Elektron an dieses abgibt. Dabei entstehen ein positiv geladenes Natrium-Ion und ein negativ geladenes Chlorid-Ion.

Atome mit derselben Anzahl an Protonen, die sich jedoch in der Zahl der Neutronen unterscheiden, heißen Isotope. Neutronen haben eine Masse, sodass die Isotope eines Elements ein unterschiedliches Gewicht aufweisen. Nehmen wir beispielsweise das Element Kohlenstoff (C): Seine Atome haben stets sechs Protonen und meistens auch sechs Neutronen. Daraus ergibt sich die sogenannte Massenzahl, in diesem Fall zwölf. Manche Kohlenstoff-Atome haben jedoch sechs Protonen und acht Neutronen, sodass sie eine Massenzahl von 14 tragen. Wir unterscheiden daher die beiden Kohlenstoff-Isotope C-12 und C-14.

Wissenschaftler haben die Häufigkeit der Isotope eines Elements abgeschätzt und daraus die durchschnittliche Atommasse für dieses Element errechnet. Für Kohlenstoff bedeutet das: Die meisten Kohlenstoff-Atome auf der Erde haben eine Atommasse von 12, aber in geringer Zahl gibt es auch Isotope mit Massen von 13 und 14. Unter Berücksichtigung der Isotopenhäufigkeit ergibt sich im Durchschnitt eine Atommasse für Kohlenstoff von 12,01. Das heißt, in jeder Probe mit Kohlenstoff-Atomen wird man von einer durchschnittlichen Masse des Kohlenstoffs von 12,01 ausgehen.

Mehrere Atome verbinden sich zu Molekülen

Chemische Verbindungen aus zwei oder mehreren Atomen werden als Moleküle bezeichnet. Dabei hängt die Reaktionsbereitschaft eines Atoms, das heißt seine Neigung, sich mit anderen Atomen zu verbinden, vor allem von der Anzahl seiner Elektronen ab. Jedes Atom strebt einen möglichst stabilen Zustand an und ist dafür bereit, Elektronen abzugeben, aufzunehmen oder zu teilen. Die Anziehung zwischen den Atomen variiert und spiegelt sich in verschiedenen chemischen Bindungsformen wider.

In der pflanzlichen Zelle sind besonders die folgenden vier Typen von chemischen Bindungen wichtig:

Ionenbindungen

entstehen durch die elektrische Anziehung zweier unterschiedlich geladener Ionen (

Abbildung 2.2B

). In trockenem Milieu können Ionenbindungen sehr stabil sein, etwa bei Salzkristallen, während sie in Lösungen, wie zum Beispiel in einer wassergefüllten Pflanzenzelle, eher instabil sind.

Kovalente Bindungen

entstehen, wenn sich verschiedene Atome Elektronen teilen (

Abbildung 2.2C

). Dieser Typ der chemischen Bindung ist innerhalb der Pflanzenzelle am stabilsten. Kovalente Bindungen bilden sozusagen das Rückgrat der Moleküle, aus denen die Zelle aufgebaut ist.

Polare kovalente Bindungen

stellen einen Spezialfall der kovalenten Bindungen dar; die Bindung ist polar, wenn die Elektronen zwischen den Atomen nicht gleichberechtigt geteilt werden. Dies ist zum Beispiel beim Wassermolekül der Fall: Hier werden die gemeinsamen Elektronen vom Sauerstoff-Atomkern stärker angezogen als vom Wasserstoff-Atomkern. Dadurch halten sich die Elektronen längere Zeit auf der Sauerstoffseite des Moleküls auf und geben dieser Seite eine leicht negative Ladung. Die Wasserstoffseite des Moleküls weist entsprechend eine leicht positive Ladung auf (siehe auch

Abbildung 2.3

).

Wasserstoffbrückenbindungen

bilden sich durch schwache elektrische Anziehungskräfte zwischen polaren Gruppen. Letztere entstehen typischerweise in Molekülen mit polar kovalenten Bindungen. Solche Moleküle haben dann eine leicht positiv und eine leicht negativ geladene Seite, die elektrisch anziehend auf andere, entgegengesetzt geladene Moleküle wirkt. In

Abbildung 2.3

ist dies am Beispiel von Wasser (H

2

O) dargestellt, wobei δ+ die leicht positive Ladung des Wasserstoffatoms und δ– die leicht negative Ladung des Sauerstoffatoms bezeichnet. Diese Wasserstoffbrückenbindung zwischen den H

2

O-Molekülen verleiht Wasser viele seiner einzigartigen Eigenschaften, darunter zum Beispiel die Oberflächenspannung oder die Tatsache, dass Eis oben schwimmt. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen polaren Gruppen innerhalb eines Moleküls beeinflussen außerdem die Gestalt von Molekülen entscheidend mit.

Abbildung 2.3: Polar kovalente Bindungen innerhalb von Wassermolekülen und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen.

Säuren und Basen

Wenn Moleküle in Lösung gehen, das heißt, wenn sie mit einer Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser gemischt werden, können sie sich verändern und auch die Eigenschaften der Lösung beeinflussen.

Säuren und Basen sind Moleküle, die in einer Lösung als freie Ionen vorliegen. Die Lösung wird dadurch entweder sauer oder basisch und kann Zellen schädigen:

Säuren sind Moleküle, die mit Wasserstoff-Ionen (H

+

) in Lösung gehen.

Wenn beispielsweise Salzsäure (HCl) in eine Flüssigkeit gegeben wird, spaltet sich das Molekül in Wasserstoff- (H

+

) und Chlorid-Ionen (Cl

–

) auf. Damit erhöht sich die Anzahl der H

+-Ionen in der Lösung – die Lösung wird saurer.

Basen sind Moleküle, die mit Hydroxid-Ionen (OH

–

) in Lösung gehen oder die Wasserstoff-Ionen (H

+

) durch Bindung aus der Lösung entfernen.

Wenn etwa Natronlauge (NaOH) in eine Flüssigkeit gegeben wird, spaltet sie sich in ihre Ionen (Na+ und OH–) auf. Jedes Hydroxid-Ion kann sich dann mit einem Wasserstoff-Ion zu einem Wassermolekül verbinden – die Lösung wird weniger sauer beziehungsweise basischer.