Eine Pflanze auf einer Fensterbank erhält Licht und Wasser – und nimmt zugleich ununterbrochen ein unsichtbares Gas auf: Kohlendioxid. Das in der Umgebungsluft enthaltene CO₂ ist der Rohstoff, den Pflanzen in Zucker umwandeln, um zu wachsen. Wer versteht, welche Rolle dieses Gas bei der Photosynthese spielt, kann besser nachvollziehen, warum die Anbaubedingungen die Vitalität einer Pflanze so stark beeinflussen.
Spaltöffnungen und CO₂-Aufnahme: das oft übersehene Einfallstor
Bevor wir uns mit der chemischen Reaktion befassen, sollten wir betrachten, wie CO₂ ins Blatt gelangt. Die Blattoberflächen sind von winzigen Öffnungen übersät, den sogenannten Spaltöffnungen. Jede Spaltöffnung funktioniert wie ein Ventil: Sie öffnet sich, damit Kohlendioxid eintreten kann, und schließt sich, um den Wasserverlust durch Transpiration zu begrenzen.
Dieser Mechanismus erfordert einen ständigen Kompromiss. Die Pflanze muss zwischen der Aufnahme von Kohlenstoff und dem Sparen von Wasser abwägen. Steigt die CO₂-Konzentration in der Luft, können sich die Spaltöffnungen teilweise schließen und dennoch genügend Kohlendioxid einlassen. Dadurch verliert das Blatt weniger Wasser, was seine Wassernutzung kurzfristig effizienter macht.
Die auf Blattebene gemessene Wassereinsparung bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Pflanze über eine ganze Saison hinweg weniger Wasser verbraucht. Auch andere Faktoren spielen eine Rolle, etwa Temperatur, Wind und Bodenfeuchtigkeit. Um die Rolle von CO₂ bei Pflanzen genauer zu verstehen, muss man daher über das einzelne Blatt hinausblicken und die gesamte Pflanze in ihrer Umgebung betrachten.
Calvin-Zyklus und Kohlenstofffixierung in den Chloroplasten
Sobald das CO₂ ins Blatt gelangt ist, erreicht es die Chloroplasten – kleine grüne Strukturen in den Pflanzenzellen. Hier findet die Photosynthese in zwei großen Schritten statt.
Die Lichtreaktion: Sonnenenergie einfangen
Die erste Phase ist direkt vom Licht abhängig. Chlorophyllpigmente, vor allem Chlorophyll, absorbieren die Sonnenstrahlung. Die Lichtenergie spaltet Wassermoleküle, wobei Sauerstoff freigesetzt und energiereiche Moleküle (ATP und NADPH) gebildet werden. Der Sauerstoff, den wir atmen, entsteht bei der Spaltung von Wasser und nicht direkt aus CO₂.
Die Dunkelreaktion: CO₂ in Zucker umwandeln
Die zweite Phase, der Calvin-Zyklus, benötigt kein direktes Licht, nutzt aber die zuvor erzeugte Energie. Ein Enzym namens Rubisco bindet CO₂ an ein Molekül mit fünf Kohlenstoffatomen (Ribulose-1,5-bisphosphat). Bei dieser Reaktion entsteht eine Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen, die anschließend in Glucose und andere Zucker umgewandelt wird.
Das CO₂ liefert die Kohlenstoffatome, aus denen die organische Substanz der Pflanze besteht: Stängel, Blätter, Wurzeln und Früchte. Ohne diese Zufuhr gasförmigen Kohlenstoffs kann die Pflanze die Bausteine ihrer eigenen Struktur schlicht nicht herstellen.
Vereinfacht lässt sich die Gleichung so darstellen:
- Wasser + CO₂ + Licht = Glucose + Sauerstoff
- Der Kohlenstoff aus dem CO₂ findet sich in den von der Pflanze gebildeten Zuckern wieder
- Der abgegebene Sauerstoff stammt aus der Spaltung von Wasser, nicht aus dem Kohlendioxid selbst
C3- und C4-Pflanzen: Die Reaktion auf CO₂ unterscheidet sich je nach Art
Ist Ihnen schon aufgefallen, dass manche Nutzpflanzen in heißen, trockenen Umgebungen gut gedeihen, während andere gemäßigtes Klima bevorzugen? Das liegt zum Teil daran, wie die jeweilige Art Kohlenstoff fixiert.
Die meisten Pflanzen – etwa Weizen, Reis und Obstbäume – gehören zu den sogenannten C3-Pflanzen. Bei ihnen enthält die erste nach der CO₂-Fixierung gebildete Verbindung drei Kohlenstoffatome. C3-Pflanzen profitieren stärker von einem Anstieg des CO₂-Gehalts in der Umgebungsluft, da ihr Enzym Rubisco das Gas direkt aus der Atmosphäre aufnimmt.
Andere Arten, etwa Mais, Zuckerrohr und Sorghum, nutzen einen sogenannten C4-Mechanismus. Durch einen zusätzlichen biochemischen Schritt reichern sie CO₂ in der Umgebung von Rubisco an. Dadurch sind sie bei Hitze und viel Licht leistungsfähiger. Der Vorteil einer erhöhten CO₂-Konzentration fällt bei ihnen jedoch in der Regel geringer aus als bei C3-Pflanzen.
Wasserstress kann diese Reaktion verändern. Bei Wassermangel begrenzt das Schließen der Spaltöffnungen die CO₂-Aufnahme bei allen Pflanzen. In diesem Fall können auch C4-Pflanzen von einer höheren CO₂-Konzentration in der Atmosphäre profitieren, denn ein stärkeres CO₂-Gefälle sorgt dafür, dass mehr Gas durch teilweise geschlossene Spaltöffnungen gelangt.
Bedeutet mehr CO₂ immer stärkeres Wachstum?
Eine höhere CO₂-Konzentration im Gewächshaus beschleunigt häufig die Photosynthese. Deshalb reichern viele Gewächshausbetriebe die Luft in ihren Kulturen mit Kohlendioxid an. Die dadurch gesteigerte Zuckerproduktion im Blatt ist nachweisbar.
Die Auswirkungen auf die gesamte Pflanze lassen sich jedoch nicht so einfach ableiten. Mehrere Faktoren können das Wachstum begrenzen:
- Photosynthetische Akklimatisierung: Nach einigen Wochen bei erhöhtem CO₂-Gehalt verringern manche Pflanzen ihre Fixierungsleistung, als würden sie sich an den Überschuss „gewöhnen“
- Nährstoffmangel: Ohne ausreichend Stickstoff und Phosphor kann die Pflanze nicht die Proteine und Membranen aufbauen, die sie benötigt, um den zusätzlichen Kohlenstoff zu nutzen
- Zuckertransport: Produziert die Pflanze mehr Glucose, als sie in ihrem Gewebe verteilen kann, sammelt sich der Überschuss in den Blättern an und bremst die Photosynthese durch Rückkopplung
Mehr assimilierter Kohlenstoff bedeutet nicht automatisch mehr erntbare Biomasse. Eine Pflanze, die viel Zucker produziert, kann diesen in den Wurzeln statt in den Früchten speichern oder die Kohlenstofffixierung mangels weiterer Ressourcen verlangsamen.
Das zeigt, dass CO₂ nur einer von mehreren Faktoren für das Pflanzenwachstum ist. Licht, Wasserverfügbarkeit, Temperatur und Bodenfruchtbarkeit bilden ein Zusammenspiel von Bedingungen, von denen keine allein das Fehlen der anderen ausgleichen kann. CO₂ ist der Rohstoff für den organischen Kohlenstoff der Pflanze, doch ob daraus eine Ernte wird, hängt davon ab, wie ausgewogen die Ressourcen insgesamt verfügbar sind.
