Photosyn­these: Wie funk­tioniert sie und was ge­schieht im Blatt?

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Bäume binden CO2 und liefern Sauer­stoff. Klingt einfach, ist aber komplex. Ein Besuch im Wald­la­bor liefert Einbli­cke in den Vorgang der Photo­syn­these.

Wie funk­tio­niert eigent­lich die Photo­syn­these? Die Frage ist an Prof. Dr. Rainer Matys­sek von der TU München gerich­tet, und er wählt einen unge­wöhn­li­chen Weg, um sie zu beant­wor­ten: nach oben. Hinauf in die Baum­kro­nen, bis auf sieben­und­zwan­zig Meter Höhe, denn im Wald­la­bor im Kranz­ber­ger Forst sind auch die oberen Etagen des Waldes bequem zugäng­lich. Na ja, mehr oder weni­ger bequem, denn der Aufstieg ist anstren­gen­der als gedacht und der Tag wärmer als ange­nom­men.

Phot­syn­these erfor­dert die komplexe Ab­stimmung verschie­de­ner Regel­kreise

Wald­la­bor im Kranz­ber­ger Forst bei Frei­sing. In einer welt­weit einzig­ar­ti­gen Lanzeit­stu­die wird hier die Wirkung von Ozon auf Bäume erforscht.

Oben, in der Licht­krone des Misch­wal­des, erschließt sich eine neue Welt. Die Sonne scheint, ein paar Wolken ziehen vorbei, es ist voll­kom­men wind­still und ange­nehm ruhig. Über­all sind Kabel und Mess­ge­räte. Und Blät­ter, Unmen­gen von Buchen­blät­tern, die augen­schein­lich gar nichts tun, nicht einmal leise rascheln. Das ist nun doch ein wenig enttäu­schend.

Gar nichts? Über diese unbe­darfte Einschät­zung kann Matys­sek nur den Kopf schüt­teln. Denn die Maschi­ne­rie Baum ist in voller Aktion. Millio­nen winzig klei­ner Spalt­öff­nungen an den Blatt­un­ter­sei­ten (mehrere Hundert pro Quadrat­mil­li­me­ter) neh­men Koh­len­dioxid für die Photo­syn­these im Blatt­in­ne­ren auf – ein Vorgang, dessen Be­deu­tung und Ablauf etwas schwam­mig aus dem Biolo­gie­un­ter­richt vor zwan­zig Jahren hän­gen­geblieben sind.

Mikro­kli­ma­kam­mer zur Photo­syn­the­se­mes­sung. Die Daten werden direkt auf den Bild­schirm über­tra­gen und machen sicht­bar, was im Baum passiert.

Sie müssen sich diese Spalt­öff­nun­gen wie moderne elek­tro­ni­sche Regler mit fünf verschie­de­nen Regel­krei­sen vorstel­len“, erklärt der Ökophy­sio­loge Matys­sek. „Sie verar­bei­ten stän­dig eine Flut von Infor­ma­tio­nen über interne und externe Fakto­ren.“

Der Baum kann jede einzelne dieser Spalt­öff­nun­gen präzise regu­lie­ren, um die Ab­stim­mung zwischen dem Einstrom von Kohlen­di­oxid (CO2) und dem Ausstrom von Was­ser­dampf infolge Tran­spi­ra­tion zu opti­mie­ren. Ist es warm und hell, öffnen sich die Spalt­öff­nungen, nehmen Kohlen­di­oxid auf und geben gleich­zei­tig Wasser­dampf ab. Jede „Mahl­zeit“ kostet den Baum also Wasser.

Lieber nimmt der Baum Hunger in Kauf, als zu verdurs­ten

Der Wasser­ge­halt in den Blät­tern ist entschei­dend, ob ein Baum Photo­syn­these betreibt oder nicht.

Auf Mole­ku­lar­ebene gemes­sen gibt der Baum hundert- bis tausend­mal so viele Was­ser­moleküle ab, wie er CO2-Mole­küle aufnimmt“, erklärt Matys­sek. „Während der Baum genü­gend CO2 für die Photo­syn­these erhal­ten muss, um nicht zu ‚verhun­gern’, darf er gleich­zei­tig nicht zuviel Wasser­dampf verlie­ren, um nicht zu ‚verdurs­ten’, also zu ver­trock­nen.“

Damit der Baum nicht austrock­net, ist der Wasser­ge­halt im Blatt die letzte Instanz im Regel­kreis: Ist zu wenig Feuch­tig­keit im Baum, blei­ben die Spalt­öff­nun­gen zu, egal wie sonnig und warm es ist. Der Baum nimmt lieber eine Hunger­pe­ri­ode in Kauf als die akute Gefahr des Vertrock­nens.

Bei lang­an­hal­ten­der Trocken­heit bilden sich Stress­hor­mone, welche die Fein­wur­zel­bil­dung anre­gen. Der Baum versucht, über den Boden mehr Wasser auf­zu­nehmen und den Feuch­tig­keits­ver­lust über die Blät­ter auszu­glei­chen.

Bäume spüren, was um sie herum vorgeht. Dauer­be­schat­tung verheißt meist nichts Gutes — da wächst ein Konkur­rent davon.

Auch der CO2-Gehalt in den Innen­räu­men der Blät­ter wird stän­dig über­prüft. Ist er gering, gehen die Spalt­öff­nun­gen auf, um den Nach­schub des Gases zu erhö­hen. Ist das Blatt bereits gut mit CO2 versorgt, veren­gen sich die Spalt­öff­nun­gen. So kann Wasser gespart werden.

Bäume spüren, was um sie herum vorgeht

Das Licht gibt dem Baum Aufschluss darüber, was um ihn herum vorgeht. Ziehen Wol­ken vorbei, senkt das nicht nur die Photo­syn­the­se­leis­tung. Beschat­tung verän­dert auch die Licht­qua­li­tät, das Verhält­nis von blauem zu rotem Licht verschiebt sich. Bei lang­fris­tig zuneh­men­der Beschat­tung „weiß“ der Baum, dass er wach­sen muss. Denn gleich­mäßi­ge Dauer­be­schat­tung kommt für gewöhn­lich nicht von den varia­blen Wolken, son­dern von Konkur­ren­ten, die ihm davon­wach­sen.

Mit zuneh­men­der Größe wird der Wasser­trans­port im Baum schwie­ri­ger. Wenn die inne­ren “Wasser­adern” reißen, kommt es zu einer Embo­lie — der Baum vertrock­net inner­lich.

Das gilt beson­ders für junge Bäume: Wachs­tum bedeu­tet, Raum einzu­neh­men, dessen Ressour­cen genutzt werden können. Je älter der Baum wird, desto lang­sa­mer wächst er.

Je höher ein Baum ist, desto schwie­ri­ger wird der Wasser­trans­port“, berich­tet Matys­sek. „Die Reibung wird immer größer, die Wasser­fä­den können reißen. Dann kann es zu einer Embo­lie kommen, und der Baum vertrock­net intern.“

Um diese Kata­stro­phe zu vermei­den, erhö­hen große Bäume ihre „Betriebs­si­cher­heit“. Ihre Spalt­öff­nungen reagie­ren noch sensi­bler auf Umwelt­ein­flüsse als bei jungen Bäumen – sie wach­sen lang­sa­mer, auch wenn Konkur­renz droht.

Laub- und Nadel­baum: Zwei verschie­dene Antwor­ten auf dieselbe Frage

Einjäh­rige Blät­ter brin­gen einen hohe Photo­syn­the­se­leis­tung. Der Nach­teil: Sie jedes Jahr neu zu bilden, kostet Ener­gie, und im Winter kann keine Photo­syn­these betrie­ben werden.

Der Selek­ti­ons­druck durch die Konkur­renz erfor­dert eine effi­zi­ente Ressourcen­nut­zung, im Kronen­raum um Licht, im Wurzel­be­reich um Wasser und Nähr­ele­mente“, so Matys­sek. Unter­su­chun­gen an Buchen und Fich­ten zeigen, dass Laub- und Nadel­bäu­me dieser Konkur­renz anders begeg­nen. Laub­bäume wie die Buche setzen auf ein­jäh­rige Hoch­leis­tungs­blät­ter, die eine hohe Photo­syn­the­se­leis­tung erbrin­gen, dafür aber jedes Jahr aus den Reser­ven neu gebil­det werden müssen. Nadel­bäume wie Fich­ten haben weni­ger leis­tungs­fä­hige Nadeln, dafür können diese mehr als zehn Jahre am Baum blei­ben und, zumin­dest bei milder Witte­rung, in gerin­gem Umfang auch im Win­ter Photo­syn­these betrei­ben.

Tannen­na­deln betrei­ben auch im Winter Photo­syn­these und blei­ben bis zu zehn Jahre am Baum. Das spart Ener­gie und gleicht die gerin­gere Photo­syn­the­se­leis­tung auf längere Sicht wieder aus.

Hier lassen sich zwei völlig unter­schied­li­che Lösungs­an­sätze der Evolu­tion für das­sel­be Problem, nämlich einen ausrei­chen­den Kohlen­stoff­ge­winn zu erzie­len, beo­bach­ten“, stellt Matys­sek fest. Bemer­kens­wer­tes Ergeb­nis der Unter­su­chung: Auf den ausge­beu­te­ten Raum bezo­gen erziel­ten Fichte und Buche im Test­zeit­raum einen ähn­lich großen Kohlen­stoff­ge­winn. Beide haben also die zur Verfü­gung stehen­den Ressour­cen ähnlich effi­zi­ent genutzt.

Matys­seks Ausfüh­run­gen im Blät­ter­dach lassen den immer noch reglo­sen Wald in ei­nem ande­ren Licht erschei­nen. Sie liefern den Ansatz des Begrei­fens dafür, welches Wun­der sich hier abspielt. Eine Wolke zieht vor die Sonne. Millio­nen Spalt­öff­nun­gen ver­en­gen sich, unge­hört und unge­se­hen. Erst der Compu­ter macht in einem Diagramm sicht­bar, was hier vor sich geht, und eröff­net einen neuen und span­nen­den Zugang zum Baum.

Unent­schlos­sen: Als einzi­ger euro­päi­scher Nadel­baum wirft die Lärche ihre Nadeln jedes Jahr ab. Offen­bar ist auch dieses Konzept für eine ausrei­chende Photo­syn­the­se­leis­tung möglich.

Eine Zusam­men­stel­lung wissen­schaft­li­cher Texte zu allen wich­ti­gen Aspek­ten der Photo­syn­these bietet das von Peter Härder heraus­ge­ge­bene “Hand­buch Photo­syn­these”. Etwas weni­ger wissen­schaft­lich bieten Peter Wohl­le­bens Best­sel­ler “Das geheime Leben der Bäume: Was sie fühlen, wie sie kommu­ni­zie­ren — die Entde­ckung einer verbor­ge­nen Welt” und seine “Gebrauchs­an­wei­sung für den Wald” mehr zum Thema.

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