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Von der Nacht zum Tag: Wie nutzen Pflanzen Kohlendioxid geschickt in zwei Zeiträumen?
In trockenen Umgebungen haben einige Pflanzen einen einzigartigen Kohlenstofffixierungsweg namens Crassulacean Acid Metabolism (CAM) entwickelt. Diese Methode der Photosynthese ermöglicht es Pflanzen, tagsüber Photosynthese und nachts einen Gasaustausch durchzuführen und so Kohlendioxid (CO2) geschickt zu nutzen. Dieser Prozess demonstriert nicht nur die Weisheit der Natur, sondern offenbart auch die Fähigkeit von Pflanzen, sich an extreme Umgebungen anzupassen.
CAM ist ein anpassungsfähiger Photosynthesemechanismus, der es Pflanzen ermöglicht, in wasserarmen Umgebungen zu überleben und begrenzte Kohlendioxidressourcen effektiv zu nutzen.
Historischer Hintergrund
Die Anmerkung von CAM geht auf das Jahr 1804 zurück, als Wissenschaftler die Atmung und den Säuregehalt von Pflanzen beobachteten. Mit der Vertiefung der wissenschaftlichen Forschung entwickelten sich nach und nach verwandte Forschungen, und um 1940 wurde der Begriff „Säurestoffwechsel von Sukkulenten“ erstmals in die wissenschaftliche Gemeinschaft eingeführt. Diese Entdeckung basiert hauptsächlich auf der Untersuchung einer Vielzahl von Pflanzen, insbesondere der Familie der Nautilusgewächse (Crassulaceae), zu der die Sukkulenten gehören.
Übersicht über den Doppelzyklus
Der CAM-Prozess kann in zwei Teile unterteilt werden: Nacht und Tag. Nachts öffnen sich die Spaltöffnungen der Pflanze, sodass Kohlendioxid eindringen und organische Säuren durch Reaktion mit Enolphosphat (PEP) binden kann. Diese organischen Säuren werden zur späteren Verwendung in der Vakuole gespeichert. Im Gegensatz dazu schließen sich die Stomata der Pflanze tagsüber, um Feuchtigkeit zu speichern und dann gespeicherte organische Säuren freizusetzen, die dann wieder in Kohlendioxid umgewandelt werden und in den Calvin-Zyklus der Photosynthese eintreten.
Was sind die Vorteile?
Pflanzen, die CAM verwenden, können die meisten Spaltöffnungen tagsüber geschlossen halten, wodurch der Wasserverlust durch Evapotranspiration deutlich reduziert wird. Dies ist für Pflanzen, die in trockenen Umgebungen leben, von entscheidender Bedeutung, damit sie auch bei extrem begrenztem Wasser weiter wachsen können. Im Gegensatz dazu verlieren Pflanzen, die nur die C3-Kohlenstofffixierung nutzen, etwa 97 % des von den Wurzeln aufgenommenen Wassers, was zweifellos ein kostspieliger Prozess ist.
Vergleich des CAM- und C4-Stoffwechsels
Während sowohl CAM als auch C4 darauf ausgelegt sind, die Effizienz von RuBisCO zu steigern, unterscheiden sie sich darin, wie sie Kohlenstoff zeitlich und räumlich konzentrieren. CAM liefert tagsüber Kohlendioxid, während C4 die Kohlendioxidkonzentration strukturell erhöht. Darüber hinaus können einige Pflanzen sogar gleichzeitig C4- und CAM-Photosynthese im selben Blatt durchführen, was bedeutet, dass sie ihren Kohlenstofffixierungsmechanismus flexibel an Umweltveränderungen anpassen können.
Biochemische Prozesse
In Anlagen mit CAM müssen die Speicher- und Reduktionsprozesse von CO2 räumlich und zeitlich genau gesteuert werden. Nachts öffnen Pflanzen ihre Stomata und Kohlendioxid dringt in die Zellen ein. Nach der Katalyse durch eine Reihe von Enzymen werden organische Säuren gebildet und in den Vakuolen gespeichert. Wenn der Tag kommt, schließen sich die Spaltöffnungen und die gespeicherten organischen Säuren werden in Kohlendioxid umgewandelt, das dann am Calvin-Zyklus teilnimmt, um Energie und Kohlenhydratsynthese zu erzeugen.
Vielfaltige Nutzung von Pflanzen
Das Ausmaß, in dem Pflanzen CAM nutzen, ist unterschiedlich. Einige Pflanzen, wie z. B. „starke CAM-Pflanzen“, verlassen sich bei der Photosynthese vollständig auf diesen Mechanismus, während andere je nach Umweltveränderungen selektiv den CAM- oder C3/C4-Mechanismus nutzen. Dies zeigt, dass die Anpassungsfähigkeit und Überlebensstrategien von Pflanzen vielfältig und flexibel sind.
Die Wunder der aquatischen CAM
Überraschenderweise gibt es die CAM-Photosynthese nicht nur in Landpflanzen, sondern dieser Mechanismus kann auch in Wasserpflanzen gefunden werden. Kohlendioxid diffundiert im Wasser viel langsamer als in der Luft, daher speichern einige Wasserpflanzen Kohlendioxid nachts, um der Konkurrenz im Wasser zu widerstehen. Besonders deutlich zeigt sich dieses Phänomen im Sommer, wenn der Bedarf an Kohlendioxid im Wasser steigt und die nächtliche CO2-Abscheidung noch wichtiger wird.
Ökologie und taxonomische Verbreitung
Die Pflanzen von CAM sind hauptsächlich unter Sukkulenten und Epiphyten verbreitet, die angesichts der Dürre außergewöhnliche Überlebensstrategien zeigen. Viele Bäume, wie zum Beispiel Clusia, verfügen außerdem über eine duale Fähigkeit zur Kohlenstofffixierung, die es ihnen ermöglicht, ihre Photosynthesemechanismen entsprechend den Veränderungen in der Umgebung frei umzuschalten. Untersuchungen zeigen, dass sich CAM mehrfach entwickelt hat und dass bisher mehr als 16.000 Pflanzenarten dieses Merkmal aufweisen.
Im Prozess einer solchen Umweltanpassung kommen wir nicht umhin zu denken: Wie können diese Pflanzen die Nutzung begrenzter Ressourcen maximieren, um sich Vorteile im Wettbewerb ums Überleben zu verschaffen?
