wenn diese Bäume erzählen könnten…

Viele Bäume werden deutlich älter, als der Mensch. Einige Baumarten, wie der Mammutbaum, werden über 4000Jahre alt, manche Pinien sogar über 5000Jahre. Vor 5000 Jahren, als diese Bäume jung waren, waren die Menschen im heutigen Deutschland noch in der Jungsteinzeit!

Zu den ältesten Bäumen der Welt gehören daneben Zypressen, Grannenkiefern und Sicheltannen. Der momentane Rekordhalter ist aber eine recht klein gewachsene Fichte in Schweden: der vermutliche älteste Baum der Welt wurde auf gut 9500 Jahre bestimmt. Eichen, Kastanien oder Eiben erreichen Alter von immerhin 1-2 Tausend Jahren.

Dabei können Höhen von über 100m erreicht werden (z.B. Mammutbaum, einige Douglasien- und Kiefernarten und der Riesen- Eukalyptus) und Stammumfänge von weit über 10 Meter (Mammutbaum).

Colin Spoelman/flickr Mammutbäume

Zu den mächtigsten Bäumen der Erde gehören zweifellos die Mammutbäume. Der Mammut-Baum mit dem Namen Hyperion ist gut 115m hoch, der General Sherman Tree hat einen Stammdurchmesser von über 8 Metern auf Brusthöhe, an der Basis über 12m. Er gilt als eines der größten Lebewesen der Erde (noch größer werden vor allem sich unterirdisch ausbreitende Pilze!). Der General Sherman Tree hat ein Kubikvolumen von rund 1500 Kubikmetern und einen Stammumfang von gut 30m! Kaum vorstellbar und ungemein beeindruckend, wenn man ihn im Sequoia-Nationalpark in Kalifornien besucht.

Riesen-Mammutbäume werden über 1200 Tonnen schwer und bis zu 3000 Jahre alt. Sie sind extrem widerstandsfähig gegen Feuer und Parasiten, das Holz ist sehr robust.

Den größten gemessenen Stammdurchmesser hat ein Vertreter des Ahuehuete-Baums, das ist eine Zypressenart, in Mexico. Ihr Stammumfang beträgt unglaubliche 58m.

Die größten Bäume Deutschlands sind Douglasien, wobei sich mehrere Orte um den Titel „höchster Baum Deutschlands“ bewerben. Die jeweiligen Douglasien sind gut 60m hoch.

Der älteste Baum Deutschlands ist eine Eiche, die schon etwa 1500Jahre an ihrem Platz steht.

Pflanzen sind zu etwas phantastischem in der Lage: sie können die Grundbausteine des Lebens aus nicht viel mehr als CO2, Sonnenlicht und Wasser herstellen! Die Tiere, auch der Mensch, sind dazu nicht in der Lage, müssen Pflanzen oder andere Tiere essen, um selbst an diese Grundbausteine zu kommen. Damit wäre tierisches Leben ohne die Primärproduzenten Pflanzen kaum vorstellbar.
Als netten Nebeneffekt produzieren die Pflanzen dabei auch noch den Sauerstoff, den wir zum atmen brauchen.

Buche

Die Photosynthese im einzelnen durchzusprechen, würde an dieser Stelle zu weit führen, hier also nur ein ungefährer Ablauf.

Die Photosynthese findet bei Pflanzen vor allem in den grünen Blättern statt, genauer in den Chloroplasten. Dabei befinden sich auf wenigen Quadratmillimetern Blatt mehrere Millionen Chloroplasten. Die grüne Farbe der Blätter liegt am Chlorophyll: Pigmente in den Chloroplasten, die für die Aufnahme der Lichtenergie zuständig sind. Das Chlorophyll absorbiert dabei Licht bestimmter Wellenlänge, nämlich vor allem rotes und blaues. Deshalb sind die Blätter grün: das Licht dieser Wellenlänge wird kaum absorbiert, bleibt also übrig.

Am Anfang steht also das Licht: Licht ist eine Form von Energie, die die Pflanzen nutzen können. Ganz grob beschrieben, wird die Energie genutzt, um Elektronen über eine Transportkette auf universelle Energieträger der Zelle zu übertragen, die so wieder „arbeitsfähig“ werden. Dabei wird letztlich auch Wasser in Sauerstoff und Protonen aufgespalten (der Sauerstoff entsteht also aus dem Wasser, nicht aus CO2!). Die Protonen (H+) und die universellen Energieträger sind in einem zweiten Schritt dann nötig, um aus CO2 Zucker zu bauen. Die Zucker sind zum einen ebenfalls ein Energiespeicher, zum anderen können sie z.B. für die Synthese von Nukleotiden (DNS), Fetten oder Proteinen genutzt werden, also für die Bausteine des Lebens.

Um eine optimale Sonnenlichteinstrahlung für die Chloroplasten zu haben, sind die Blätter in der Regel sehr flach, mit entsprechend großer Oberfläche.

Eiche

Wichtig sind auch die Spaltöffnungen (Stomata), die sich in der Regel an der Blattunterseite befinden. Hierdurch gelangt das CO2 in die Blätter und der Sauerstoff hinaus. Die Öffnungen sind bei den meisten Pflanzen zu klein, um sie mit bloßem Auge zu sehen. Das Wasser, das neben dem CO2 zur Photosynthese benötigt wird, wird über die Wurzeln aufgenommen und über spezielle Leitungsbahnen in die Blätter transportiert. Dies ist ebenfalls eine Leistung, immerhin muss das Wasser bergauf fließen!

Photosynthese in einfachster Gleichung:

CO2 (Kohlendioxid) + H2O (Wasser) -> CH2O (Zucker) + O2 (Sauerstoff); bzw. alles mal 6, da als Zucker letztlich Glucose entsteht. Der Sauerstoff stammt dabei nicht aus dem CO2, sondern aus dem Wasser.

Man kann grob sagen, etwa 12 erwachsene Bäume produzieren so viel Sauerstoff-Überschuss pro Jahr, wie ein Mensch im selben Zeitraum „veratmet“.

In unseren Breiten verlieren viele Laubbäume im Winter ihre Blätter. Das hat mehrere Gründe.

der Ilex ist ein Laubbaum, dessen Blätter den Winter überstehen

Zum einen müssen die Blätter aufwändig modifiziert werden, um bei Frost nicht kaputt zu frieren und ihre Funktionstüchtigkeit zu erhalten. Wenn der Zellsaft gefriert, werden durch die Eiskristalle Zellstrukturen zerstört, die Membranen verlieren ihre Durchlässigkeit, Enzyme können nicht mehr arbeiten. Die biologischen Vorgänge müssen nach und nach eingestellt werden, die Blätter sterben. Um dem Winter zu widerstehen, müssen die Blätter dicker und härter sein, es muss ein Frostschutz in den Zellen gebildet werden, um den Zellsaft flüssig zu halten, und die Membranen müssen modifiziert werden. Trotzdem ist bei Minusgraden Photosynthese kaum mehr möglich, da die Zellen alle Aktivitäten stark herunter schrauben (bei Kälte läuft alles langsamer ab, es fehlt „Energie“, der Zellsaft ist dickflüssiger), zudem fehlt das Wasser aus dem gefrorenen Boden für die Photosynthese.

die Lärche im Herbst; zum Winter wirft sie ihre Nadeln ab

Tatsächlich halten auch Nadelbäume im tiefsten Winter eine Winterruhe und betreiben kaum Photosynthese (zu den Anpassungen der Nadelbäume siehe auch hier). Der Vorteil, die Blätter/Nadeln im Winter zu behalten ist, dass sie im Frühjahr nicht mit viel Baustoffeinsatz ganz neu gebildet werden müssen und bei den ersten warmen Tagen sofort mit der Photosynthese beginnen können. Der Nachteil ist, wie beschrieben, dass es sehr aufwändig ist, Blätter winterfest zu bekommen.

Man kann nicht allgemein sagen, dass Nadelbäume sich für den einen, Laubbäume für den anderen Weg entschieden haben. Es gibt Nadelbäume, die ihre Nadeln im Winter abwerfen, wie die Lärche, und „Laubpflanzen“ die ihre Blätter behalten, z.B. der Buchsbaum, die Stechpalme (Ilex) oder Efeu.

Ein weiterer Grund, warum viele Laubbäume ihre Blätter im Winter nicht behalten ist, dass sie darüber zu viel Wasser verlieren würden. Die Wurzeln können aus dem gefrorenen Boden kaum mehr Wasser aufnehmen, über die Blätter wird aber nach wie vor Wasser über Verdunstung verloren. Die Folge wäre, dass der Baum vertrocknet und abstirbt.

Ebenfalls zu bedenken ist die Schneebruchgefahr. Fichten und Tannen passiert das selten, durch ihre Wuchsform und die biegsamen Äste gleitet der Schnee bei zu großem Druck nach unten. Laubbäume dagegen verlieren im Winter auch ohne Blätter durchaus Äste, wenn sich zu viel Schnee auf ihnen sammelt. Mit Blättern wäre die Oberfläche des Baums sehr viel größer, es bleibt mehr Schnee auf ihnen liegen und die Blätter selbst wiegen auch einiges.

Im Herbst bauen die laubabwerfenden Bäume die Nährstoffe in den Blättern ab und lagern sie im Spross und in den Wurzeln ein. Auch Pigmente („Farbstoffe“) wie das Chlorophyll werden nun abgebaut. Neben dem Chlorophyll nutzt die Pflanze auch andere Pigmente zum absorbieren des Sonnenlichts, z.B. die gelblichen Xantophylle oder rötliche Carotinoide.

Buche

Tatsächlich sieht man die Farben, die das Pigment nicht heraus filtert. Das Chlorophyll z.B. absorbiert mit einem Maximum im blauen und im roten Bereich. Das „Grün“ bleibt gewissermaßen übrig. Da Blätter vor allem Chlorophyll nutzen, ist der Baum grün. Ob das Grün hell oder dunkel, mit Olivtönung oder mehr ins gelbliche geht, hängt vom Mischungsverhältnis mit den anderen Pigmenten/Farbstoffen ab. Im Herbst wird von einigen Pflanzen das Chlorophyll zuerst abgebaut, bzw., es ist am instabilsten. Carotinoide und Xantophylle sind aber teils noch aktiv, deshalb sind die Blätter nun rot oder gelb. Dazu kommt, dass Abbauprodukte des Chlorophylls ebenfalls rötlich scheinen können.

Die Pflanze merkt an der Tageslänge und an der Temperatur, dass es Zeit ist, die Blätter abzuwerfen. Pflanzenhormone spielen zudem eine Rolle, deren Mischungsverhältnis sich im Spiegel der Jahreszeiten ändert.

Die Gefäße, die Wasser, Mineralien und organisches Material in und aus den Blättern transportieren, werden nun geschlossen. Oft bildet die Pflanze sogar eine richtige Trennschicht zwischen Spross und Blattansatz. Diese verfügt über eine Sollbruchstelle, ist die Trennschicht fertig, fällt das Blatt zu Boden. Manche Bäume bauen keine Trennschicht, sondern verstopfen nur die Gefäße. Die Blätter bleiben so im Winter lange braun und trocken am Baum. Hierzu gehört z.B. die Hainbuche.

Wann genau das passiert, hängt von der Baumart und dem einzelnen Individuum ab. Einige Bäume verlieren ihre Blätter schon sehr früh, andere lassen sich lange Zeit.

Pflanzen haben den Nachteil, an einen Ort fest gebunden zu sein, und das teils über 1000 Jahre und mehr. Sie müssen dort Wind, Regenmangel, Parasitenbefall oder Kälte trotzen, sich gegen andere Pflanzen im Wettstreit um Licht durchsetzen und trotz ihrer Immobilität dafür sorgen, dass ihre Eizellen befruchtet und ihre Nachkommen möglichst weit verbreitet werden. So haben Landpflanzen im Laufe der Evolution eine Reihe von Fähigkeiten entwickelt, um all dies bewerkstelligen zu können (siehe auch: Entwicklung der Landpflanzen). Dazu gehören z.B. spezialisierte Leitgefäße, Pflanzenhormone, Samen und Früchte, eine wächserne Hülle (Cuticula) gegen Austrocknung mit Spaltöffnungen zum Gasaustausch und die Gewebespezialisierung mit einer Gliederung in Wurzeln (Wasser- und Mineralienaufnahme, Speicherfunktion, Halt), Spross (Festigung zum Höhenwuchs, Speicherfunktion und Transport) und Blätter (Photosynthese).

Wurzeln

Wurzeln dienen der Verankerung im Boden, der Wasser- und Mineralienaufnahme sowie der Speicherung von Nährstoffen.

Je nach bevorzugten Böden der Pflanzenart, verlaufen die Wurzeln flach unter der Erde oder gehen tief in den Boden, teils sehr stark, teils weniger verzweigt. Die Tiefwurzler haben besseren Halt, aber die meisten Nährstoffe (und Sauerstoff!) befinden sich nur weit oben im Boden. Zudem ist die Feuchtigkeit des Bodens wichtig. Wenn der Boden in der Tiefe durch Grundwasser dauerfeucht ist, sterben die Wurzeln dort ab. Zu wenig Wasser ist freilich auch nicht gut: Über die Wurzeln werden bei einem Baum im Sommer durchaus mehrere Hundert Liter Wasser pro Tag aufgenommen.

Nur die feinen Wurzelhaare dienen tatsächlich der Wasseraufnahme, die dickeren Wurzeln sind dazu nicht in der Lage, sondern verankern die Pflanze und/oder haben Speicherfunktion. Vor allem im Winter werden von einigen Pflanzen in den Wurzeln Stärke und andere Nährstoffen eingelagert. Besonders ausgeprägt ist diese Speicherfunktion z.B. bei Möhren und Rüben.

Viele Bäume arbeiten mit Mykorrhiza zusammen. Das sind Pilze, die symbiontisch mit dem Baum an den Wurzeln leben. Die Pilze helfen bei der Aufnahme von Wasser und bestimmten Mineralien und bekommen dafür im Gegenzug organisches Material von der Pflanze gestellt. Mykorrhiza können daneben auch bei der Bekämpfung von Schädlingen helfen.

Über das Wasserleitsystem, das Xylem, wird das Wasser nach oben über den Baum bis in die Blätter verteilt. Das Wasser ist wichtig, damit die Blätter mittels Photosynthese organisches Material herstellen können. Dieses wiederum wird über das Phloem, das Gefäßsystem für organische Nährstoffe, von den Blättern bis in die Wurzeln verteilt. Ohne das organische Baumaterial könnten die Wurzeln nicht wachsen.

Die Wurzeln selbst können Mineralien und andere Nährstoffe über die Wurzelhaare aus dem Boden aufnehmen. Bäume können dabei relativ gezielt genau die Nährstoffe und Mineralien herausfiltern, die sie brauchen. Dabei werden teils auch bestimmte Pflanzen-Enzyme in den Boden abgegeben, die Mineralien aufschließen, damit die Wurzelhaare sie aufnehmen können. Andere Enzyme sind in der Lage, die Wurzeln fremder Pflanzen abzutöten, um sich selbst einen Vorteil zu verschaffen!

der Stamm, Holz und Jahresringe

Um die überlebenswichtige Photosynthese betreiben zu können, brauchen Pflanzen ausreichend Licht. Eine Möglichkeit, sich dabei gegen andere Pflanzen durchzusetzen, ist höher zu wachsen. Ein Höhenwachstum erfordert Stützelemente, den Stamm oder bei kleineren Pflanzen Stängel, die gleichzeitig fest genug und elastisch sein müssen. Zudem müssen sie in der Lage sein, Wasser und Nährstoffe über die Pflanze zu verteilen.

Der Stamm ist dabei in seinem Aufbau geradezu genial: eine Schicht teilungsaktiver Zellen, knapp unter der Rinde des Baumes, gibt Jahr für Jahr verholzende Zellen zur Wasserleitung nach innen ab (das Xylem) und Leitbahnen für organische Substanzen nach außen (Phloem). Die Wasserleitbahnen bestehen aus gut abgedichteten festen, holzigen Zellwänden, die eigentlichen Zellen leben nicht mehr. Jedes Jahr werden neue Wasserleitungen gebaut, die alten bilden den zunehmend dickeren Holzstamm. Das Phloem ist als „Bast“ direkt unter der Rinde zu sehen.

Das Wasser fließt im Stamm hauptsächlich mittels Saugspannung nach oben. Das funktioniert so: die Blätter verbrauchen viel Wasser und/oder verlieren es über Verdunstung. Dadurch entsteht in der Wasserleitung ein starker Unterdruck, der neues Wasser nach oben saugt. Die Fließgeschwindigkeit des Wassers von den Wurzeln nach oben kann dabei bis zu 75cm pro Minute betragen!

Jedes Jahr wird in Deutschland im Winter das Wachstum eingestellt. Im Frühjahr sind dann die ersten neuen Gefäßzellen relativ groß und deren Wände eher dünn, im Spätsommer ist es umgekehrt. So entstehen die „Jahresringe“ an den Stämmen. Anhand der Jahresringe lässt sich auch erkennen, wie gut das Klima in dem Jahr für den Baum war oder ob z.B. Parasitenbefall vorlag. Schmale Jahresringe deuten dabei auf „Probleme“ hin, z.B. ein sehr trockenes Jahr, hohe Luftverschmutzung oder dass der Baum bereits sehr alt ist.

Das Hauptwachstum von Stamm, Ästen und Zweigen findet im Frühjahr statt. Im Verlauf des Sommers wird das neue Gewebe dann härter, wächst dafür aber weniger schnell. Im Winter ruht der Baum. Der Stamm wächst damit bis ans Lebensende des Baums in die Dicke, während das Höhenwachstum irgendwann stagniert.

Birke

Die Rinde eines Baums kann unterschiedlich dick sein und besteht meist aus schützender Korksubstanz, holzigen Zellen und altem Phloem. Sie sorgt dafür, dass das Wasser im Baum bleibt und nicht verdunsten kann, und dass möglichst wenige Schädlinge es schaffen, den nahrhaften Phloem-Saft anzuzapfen.

Ein völliges Abdichten ist für die Pflanze allerdings auch nicht gut: so ermöglichen Korkporen, die Lentizellen, einen Gasaustausch mit der Umgebungsluft.

Wenn eine neue Schicht zur Borke hinzu kommt, reißt die alte Borke auf, da die Zellen dort in der Regel nicht mehr teilungsaktiv sind. Die Baumarten haben dies unterschiedlich gelöst: bei Platanen z.B. blättert die äußere Schicht ab, Eichenborke wird tief rissig und bei Moorbirken löst sich die Rinde in Streifen. Die Buche dagegen bildet kaum Borke, sondern belässt ihre Schicht teilungsaktiver Zellen dicht unter der eher dünnen Rinde.

Harz dient dem Abdichten von Wunden. Es verhindert dort den Austritt von Nährstoffsaft und Wasser und wirkt Parasitenbefall entgegen. Aber nicht alle Bäume besitzen Harz, der Eibe z.B. fehlt es ganz.

Blätter

Alle Lebewesen brauchen Nährstoffe, um wachsen und leben zu können. Viele Lebewesen können dabei organische Nährstoffe, also die Grundsubstanzen des Lebens, nicht selbst produzieren, sondern sind darauf angewiesen, andere Lebewesen (Pflanzen oder Tiere) zu essen. Pflanzen dagegen sind in der Lage, sich von Wasser, CO2, einigen Mineralien und Phosphaten und der Energie der Sonne zu ernähren. Sie bauen also alle organischen Substanzen aus anorganischem Material selbst auf und ermöglichen damit erst alles andere Leben auf der Erde. Dieser bemerkenswerte Prozess, die Photosynthese, findet hauptsächlich in den Blättern statt, die genau dafür existieren und optimiert sind.

Blätter haben zuleitende Gefäße für Wasser und Mineralien und ableitende, um die hergestellten organischen Substanzen in der Pflanze zu verteilen. Sie sind vollgestopft mit Chlorophyll in bestimmten Zellkörperchen, den Chloroplasten, in denen ein wichtiger Teil der Photosynthese stattfindet. Die Absorption von Licht bestimmter Wellenlänge sorgt für die grüne Farbe.

Blätter sind deshalb meist extrem flach, damit das Sonnenlicht optimal genutzt werden kann. Die Wuchsform der Pflanze und die Ausrichtung der Blätter orientieren sich ebenfalls am maximal möglichen Lichteinfall.

Stomata, kleine, schließbare Öffnungen, die sich zumeist an der Blattunterseite befinden, ermöglichen den Gasaustausch, also die Aufnahme und Abgabe von CO2 und Sauerstoff.

Um über Verdunstung nicht zu viel Wasser zu verlieren, sind die Blätter mehr oder weniger ausgeprägt von einer dünnen Wachsschicht umgeben. Die Epidermis schützt zudem mechanisch gegen Eindringlinge.

Etwas anders verhält es sich bei den Blättern der Nadelbäume, unter anderem, weil sie an strenge Winter angepasst sind (siehe auch: Blattabwurf im Winter)
Blätter behalten ihre Form vor allem durch den Turgor: sie sind prall gefüllt mit Zellsaft, Zellwände verhindern ein Platzen. Durch den Innendruck richten sich die Blätter auf. Man kann das gut an welkenden Blättern sehen: die Flüssigkeit reicht nicht mehr, um den Druck aufrecht zu erhalten, das Blatt fällt in sich zusammen.

Daneben stabilisieren auch die Blattadern und spezielle Festigungsstränge die Blattform.

Es gibt die verschiedensten Blattformen: z.B. gelappt, gezackt, handförmig, rund und glatt oder gefiedert. Teils kann die Blattform/Größe durch den bevorzugten Standort der Pflanze erklärt werden, z.B. um im Freistand nicht von starken Winden zerfetzt zu werden. Dies könnte z.B. auf die Birke zutreffen, die auch in sehr rauem Klima wächst.

Tatsächlich gibt es aber noch keine wirkliche Erklärung für die erstaunlich große Blattvielfalt.

weiter lesen:

Warum verlieren Bäume im Winter ihre Blätter?

Photosynthese

Vor rund 320 Millionen Jahren traten erstmals Samenpflanzen auf. Als dann die riesigen Sümpfe, die das Devon bis weit in das Karbon hinein prägten, vor etwa 300Mio Jahren fast völlig verschwanden, setzten sich die Samenpflanzen endgültig gegen die nun zahlreich aussterbenden samenlosen Gefäßpflanzen-Arten durch.

der Samen, attraktiv verpackt zur Verbreitung über Tiere

Mit den Samenpflanzen kamen wieder viele Neuentwicklungen: Die namensgebende, der Samen, schützt und ernährt den Embryo, ermöglicht eine Ausbreitung über weitere Strecken und eine „Keimruhe“ bei widrigen Bedingungen. Hier nun befindet sich der Gametophyt stark reduziert im, bzw. am Sporophyten, wodurch er besser vor Austrocknung geschützt ist und vom Sporophyten ernährt werden kann (vgl. Fortpflanzungsexkurs bei den Moosen). Statt schwimmender männlicher Gameten gibt es bei fast allen Samenpflanzen Pollen. Diese brauchen kein Wasser mehr, um zur Eizelle zu gelangen, stattdessen wurden verschiedene andere Mechanismen zur Verbreitung entwickelt. Der ursprünglichste ist die Windbefruchtung, Gymnospermen (Nacktsamer) wie die Nadelbäume nutzen fast nur diese. Bei den Angiospermen (Bedecktsamer, Blütenpflanzen) wird dagegen auch auf Tiere gesetzt.

präzise Zustellung des Pollens

Die Fortbewegung durch die Luft (Windbefruchtung) ist unpräzise, von Wind und Regen abhängig und davon, in welcher Entfernung die nächste Eizelle angetroffen werden kann. So werden sehr große Mengen Pollen frei gesetzt, was im Frühjahr und Frühsommer als gelber Staub gut zu sehen ist. Pollensäcke helfen teils beim Schweben, der Pollen selbst ist möglichst leicht. Oft blühen diese Pflanzen noch bevor die Blätter sich im Frühjahr ganz entfaltet haben, damit nicht so viel Pollen an den Blättern hängen bleibt, um dann nutzlos vom nächsten Regen zu Boden gespült zu werden.

Bei der Tierbestäubung ist die Zustellung des Pollens sehr viel präziser. Dafür sind deutlich aufwändigere Blüten nötig, dazu weitere Lockstoffe (Geruch, Nektar) und die Blüte muss natürlich auch stabil genug sein, die zur Verbreitung des Pollens nötigen Tiere zu tragen. Der Pollen ist in dem Fall klebrig (und schwerer) und haftet so gut an den Tieren.

Einige Samenpflanzen sind außerdem zu sekundärem Dickenwachstum fähig, d.h. der Spross wächst nicht nur in die Höhe, sondern auch kontinuierlich und verholzend in die Breite (siehe auch hier).

Samenpflanzen werden in Nacktsamer (Gymnospermen, z.B. Nadelbäume) und Bedecktsamer (Angiospermen, Blütenpflanzen) unterteilt.

Gymnosperme; ein mächtiger, alter Nadelbaum

Die Gymnospermen sind dabei viel älter, „echte“ Blütenpflanzen gibt es erst seit rund 150Mio Jahren (vorherrschend seit etwa 135Mio Jahren).
Die Begriffe werden z.T. unterschiedlich genutzt: So kann man durchaus auch bei Nadelbäumen von Blüten lesen (es handelt sich bei den „Blüten“ der Nadelbäume meist um Staubblätter und Fruchtblätter, die an unterschiedlichen Zapfentypen sitzen). Die „echten“ Blütenpflanzen sind allerdings Teil der Angiospermen=Bedecktsamer. Die Begriffe Blütenpflanzen und Angiospermen werden dazu häufig synonym benutzt. Aber ausschließlich die Angiospermen können, per definitionem, Früchte bilden, da nur sie einen Fruchtknoten besitzen.

Gymnospermen

Zu den Gymnospermen (=Nacktsamer) gehören die Cycadeen, Gingko-Gewächse, Gneto-Gewächse und Koniferen. Die Koniferen sind das, was man als „Nadelbaum“ kennt: Fichten, Kiefern, Zypressen, Eiben und andere. Sie sind sehr viel artenreicher und verbreiteter in der Welt, als die restlichen Klassen der Gymnospermen.

Gymnospermen haben im Gegensatz zu den Angiospermen (Bedecktsamern) noch keinen Fruchtknoten, in dem sich die Samen entwickeln können und bilden damit auch keine Früchte. Auch das Gefäßsystem zur Wasser- und Nährstoffleitung unterscheidet sich von dem der Angiospermen.

Nadelbäume (Koniferen)

ein riesiger Wald, aber nur 2 Arten: Fichten und Lärchen im Herbstkleid

Die Nadelbäume sind zwar am artenreichsten unter den Nacktsamern, aber auch sie stellen heute gerade mal etwa 800 Arten weltweit. Zum Vergleich: bei den Bedecktsamern (Blütenpflanzen) sind es mindestens 250.000 Arten. Die wenigen Nadelbaumarten, die es gibt, bedecken allerdings große Areale in der Welt, z.B. riesige Flächen in Sibirien oder Nordamerika. Sie können sich vor allem in den kalten, eher trockenen Regionen der Erde gegen die Blütenpflanzen durchsetzen.

Konifere heißt übersetzt „Zapfenträger“. Tatsächlich haben sehr viele Nadelbäume ihre Fortpflanzungsorgane an Zapfen sitzen. Häufig gibt es „männliche“ und „weibliche“ Zapfen, die sich aber meist am selben Baum befinden. In den männlichen Zapfen wird der Pollen zur Windbestäubung gebildet, in den weiblichen Zapfen findet die Befruchtung statt und der Samen reift in ihnen heran.

Die meisten Arten sind immergrün, betreiben im Winter aber nur begrenzt (an warmen, sonnigen Tagen) Photosynthese. Da sie im Frühjahr nicht erst aufwändig Blätter bilden müssen, können sie so bereits die ersten warmen Frühlingstage voll nutzen. Damit sind sie die Bäume für kurze Vegetationsperioden.

Die Nadeln vertragen die Kälte durch einige Anpassungen: z.B. eine dicke Wachsschicht (Cuticula) und Spaltöffnungen in Gruben.

Nadeln vertragen sehr tiefe Temperaturen

Die Spaltöffnungen dienen dem Gasaustausch, über sie wird aber auch durch Verdunstung viel Feuchtigkeit verloren. Das wird im Winter zum Problem, wenn der Boden tief gefroren ist und so kein neues Wasser mehr aufgenommen werden kann. Abgesenkte Spaltöffnungen verringern das Verdunstungsrisiko. Dazu sind die Nadeln sehr hart und der Zellsaft ist mit „Frostschutz“ angereichert. Würde der Zellsaft einfrieren, würden die so gebildeten Kristalle die Membranen und inneren Zellstrukturen zerstören. Auch die Zell-Membran selbst ist modifizierbar. Es können mehr ungesättigte Fettsäuren eingebaut werden, damit auch bei Frost eine gewisse Fluidität bewahrt wird.
Die Wuchsform und biegsame Äste verhindern Schneebruch. Laubbäume sind davon sehr viel bedrohter, vor allem im Herbst und Frühjahr, wenn sie schon/noch Blätter haben. Die dünnen Nadeln der Nadelbäume bieten zudem Schnee und Wasser weniger Möglichkeit, sich auf ihnen anzutürmen.

Anders als bei vielen Laubbäumen, findet das Höhenwachstum nur am Hauptstamm statt. Dieser unterdrückt hormonell das gleichzeitige Austreiben eines zweiten Stamms. Bricht die Spitze ab, wird die Hormonsteuerung einige Zeit ungenau. Jetzt kann es passieren, dass sich mehrere neue Spitzen bilden und auch ein Nadelbaum zwei „Stämme“ bildet.

Angiospermen/Bedecktsamer (Blütenpflanzen)

Blüte

Die Bedecktsamer blicken auf eine große Erfolgsgeschichte zurück. Sie haben es geschafft, fast die ganze Welt zu besiedeln, sie bieten mehrere Hunderttausend Arten auf, von winzig klein bis zu mächtigen Bäumen. In Wüstenregionen, im Regenwald, im Gebirge und selbst in der Antarktis sind sie zu finden. Sie sind immergrün oder nur sommergrün, Rankpflanzen, Wasserpflanzen, fleischfressende Pflanzen, nur im Frühjahr aus Zwiebeln austreibend oder groß und verholzt.

Die interessantesten Blüten existieren, z.B. passgenau zugeschnitten auf die eine Insektenart, die für die Pollenverbreitung zuständig ist oder Fliegen über Aasgeruch anlockend oder leuchtend bunt und duftend mit wohlschmeckendem Nektar. Auch Windbestäuber mit sehr unauffälligen Blüten gibt es unter den Bedecktsamern.

der Haselnussstrauch blüht zeitig im Jahr und verbreitet seine Pollen mit Hilfe des Windes

Die Windbestäubung findet dabei oft schon vor dem Austreiben der Blätter im Frühjahr statt. So soll verhindert werden, dass der Pollen an den Blättern hängen bleibt und dann mit dem nächsten Regen zu Boden gewaschen werden. Die Insektenbestäubung dagegen ist zum einen vom Laub unabhängig, zum anderen kommen viele Insekten erst, wenn die Fröste zuverlässig vorbei sind. So blühen Apfelbaum und Co erst im Frühsommer.

Die meisten Angiospermen haben in einer Blüte männliche und weibliche Fortpflanzungsorgane vereint: der weibliche Fruchtknoten und das männliche Staubblatt. Teils ist das Ganze mit Mechanismen ausgestattet, um eine Selbstbefruchtung zu verhindern.

Nach der Befruchtung wächst dann geschützt im Fruchtknoten der Samen heran. Dies ist ein Hauptunterschied zu den Nacktsamern: der geschlossene Fruchtknoten, der sich zur Frucht ausbilden kann. Durch eine „doppelte Befruchtung“ wird zusätzliches Nährgewebe für den Embryo geschaffen.

Nun stellt sich für die Pflanze die Frage, wie der Samen verbreitet werden kann. Für die Pflanze macht es Sinn, wenn der Samen ein Stück weg von der Mutterpflanze ein Plätzchen für sich findet. So kann eine Ausbreitung der Art stattfinden und die Mutter- und die Tochterpflanze nehmen sich gegenseitig nicht Sonnenlicht, Nährstoffe und Wasser weg. Und falls sich die Bedingungen ändern am Standort, ist eine weitere Verteilung der Art sehr vorteilhaft, damit nicht alle Pflanzen Schaden nehmen.

manchmal hilft auch der Mensch bei der Verbreitung des Samens

Es gibt Samen, die durch die Luft verbreitet werden, teils aus explodierenden Kapseln katapultiert oder leicht genug, um mit dem Wind zu schweben, als Kletten über Tierfell auf Reisen oder mit Propeller und Segel zur weiteren Windverbreitung ausgestattet. Und natürlich als essbare Früchte: darauf getrimmt, gut zu schmecken und gut auszusehen und so Tiere anzulocken. Die Früchte sind dabei oft erst genießbar, wenn der Samen im Inneren reif ist. Das wird den Tieren auch durch Farbe und Geruch angezeigt. Die Tiere fressen entweder nur das Fruchtfleisch und lassen den Kern irgendwo fallen oder sie verdauen die Frucht mit den Samen und scheiden die Samen unbeschadet wieder aus. Noch einen anderen Weg schlägt z.B. die Hasel ein: die Haselnuss ist der Samen, sie hat kein Fruchtfleisch drum herum. Wird sie gegessen, kann aus diesem Samen keine Pflanze mehr wachsen. Trotzdem ist die Haselnuss nicht giftig, sondern sogar für einige Tiere sehr schmackhaft. Der Trick ist, dass Tiere, wie z.B. das Eichhörnchen oder Mäuse, Wintervorräte mit Haselnüssen anlegen. Sie vergraben an unterschiedlichen Stellen Nüsse, finden aber nicht alle wieder. Die Nüsse, die ungefressen durch den Winter kommen, können perfekt in der Erde versenkt im kommenden Frühjahr austreiben. Ähnlich verfahren auch z.B. die Kastanie, die Eiche und die Buche.

Moose

sowohl Waldpilze als auch Moose mögen es schattig und feucht

Die wichtigste Aufgabe der Moose im Wald ist die Speicherung von Wasser.Sie können große Mengen aufnehmen, die sie bei anhaltender Trockenheit langsam wieder abgeben. So tragen sie zu einem ausgeglichenen Wasserhaushalt und Bodenklima im Wald bei.

In deutschen Wäldern gibt es mehrere Hundert heimische Moosarten. Die Bestimmung ist ohne Fachkenntnisse meist nur grob möglich.

Moos-ähnliche Pflanzen waren die ersten “Landpflanzen” der Erde. So sind Moose noch relativ einfach gebaut, mit nur wenig spezialisierten Geweben. Sie haben noch keine echten Wurzeln, die kleinen wurzelähnlichen Rhizoide sind in erster Linie zum Anheften an den Untergrund da. Die Wasseraufnahme erfolgt über die Blätter, bzw. über den ganzen Körper. Leitgewebe ist nur in sehr einfacher Form vorhanden, spezielles Stützgewebe, das Höhenwachstum erlauben würde, fehlt ganz. Da die Wasserleitungen im Großen und Ganzen fehlen, leben Moose in aller Regel auf feuchten und schattigen Standorten, tolerieren aber auch kurzzeitige Austrocknung. Moose haben bereits Ansätze eine Cuticula, also einer schützenden Wachsschicht, die dem Wasserverlust über Verdunstung entgegen wirkt.

Fortpflanzung:

der grüne Gametophyt mit aus ihm heraus wachsendem Sporophyten

Bei Moosen ist die geschützte Entwicklung der Gameten (Eizelle und Spermien) eine wichtige Anpassung an das trockene Land. Gameten reagieren bei allen Lebewesen sehr schlecht auf Trockenheit, immerhin entwickelte sich das Leben mehrere Milliarden Jahre lang nur im Wasser. Es mussten also schützende Hüllen her und auch Mechanismen, um Spermien auch ohne, dass sie durch Wasser schwimmen können, zur Eizelle zu transportieren. Im Gegensatz zu Tieren, können sich Pflanzen dabei nur sehr begrenzt aufeinander zu bewegen, was es nicht einfacher macht.
Moose haben eine erste Möglichkeit gefunden, das Problem zu lösen. Die Eizelle verbleibt dabei geschützt an der weiblichen Moospflanze, die Spermien sind begeißelt und schwimmen noch zur Eizelle. Sie sind damit also zwingend auf eine feuchte Umgebung angewiesen. Bei Moosen gibt es die Besonderheit, dass die eigentliche grüne Moospflanze haploid ist (d.h. sie hat einen einfachen Chromosomensatz, z.B. im Gegensatz zum Menschen, dessen Körperzellen diploid sind). Die diploide Generation der Moose beschränkt sich auf einen kleinen “Stengel” mit Kapsel am Ende, der aus der befruchteten Eizelle aus der Mutterpflanze heraus wächst (siehe Bild oben). In der Kapsel werden dann haploide Sporen produziert, die freigesetzt zu neuen grünen Moospflanzen heran wachsen.

Daneben vermehren sich Moose auch ungeschlechtlich.

Esche; im Gegensatz zu Moosen ist bei Bäumen die eigentliche Pflanze der diploide Sporophyt

Ein kurzer Exkurs zur Fortpflanzung: Alle Pflanzen haben einen Generationswechsel zwischen einem haploiden Gametophyten und einem diploiden Sporophyten. Haploid: einfacher Chromosomensatz in der Zelle, diploid: Chromosomensatz in doppelter Ausführung. Optisch sind diese fast immer unterschiedlich. Bei Moosen ist der Gametophyt die eigentliche Pflanze, bei den anderen Landpflanzen ist der Sporophyt die größere, auffälligere Generation, die wir als die eigentliche Pflanze kennen. In Kurzform: aus der befruchteten Eizelle wächst der diploide Sporophyt. Dieser produziert über Meiose in speziellen Geweben haploide Sporen. Die Sporen wachsen zu einem haploiden Gewebekörper heran (Gametophyt), der schließlich männliche und weibliche Gameten produziert. Der Mensch dagegen produziert direkt, ohne den Zwischenschritt eines Äquivalents zum haploiden Gametophyten, aus dem diploiden Organismus haploide Eizellen und Spermien.
Bei Blütenpflanzen ist der Gametophyt extrem reduziert: der männliche besteht z.B. anfangs nur aus drei Zellen, wovon 2 Spermien sind. Später wächst hieraus der Pollenschlauch zur Befruchtung der Eizelle.
Es gibt die Theorie, dass Landpflanzen das diploide Sporophyten-Stadium bevorzugen, da die mutagene Wirkung der Sonnenstrahlen hier stärker ist, als unter Wasser. Da ist es besser, zwei Genkopien zu haben.

Gefäßpflanzen

Schachtelhalm

Die ursprünglichsten Gefäßpflanzen entstanden vor rund 400Mio Jahren. Sie werden als Nackt- oder Urfarne zusammen gefasst und sind noch sehr einfach aufgebaut. Heute gibt es noch Vertreter im feucht-tropischen Klima.

Der Begriff Gefäßpflanzen meint, dass bereits spezialisierte Leitbahnen („Gefäße“) für Wasser und Nährflüssigkeiten vorhanden sind. Dies ist eine sehr wichtige Anpassung an das Landleben, da so die Flüssigkeiten gezielt und sicher vor Verdunstung über die Pflanze verteilt werden können. Damit ist nun auch eine Gewebespezialisierung möglich, die Pflanze kann in Wurzeln (Wasser- und Mineralienaufnahme, Speicherfunktion, Halt), Spross (Festigung zum Höhenwuchs und Transport) und Blätter (Photosynthese) unterteilt werden (Siehe auch Aufbau der Pflanzen).

Zudem werden nun auch neue Möglichkeiten der Befruchtung und Verbreitung der Nachkommen genutzt; die „eigentliche“ Pflanze ist jetzt in der Regel der Sporophyt (siehe auch den Exkurs bei den Moosen).

Die Gefäßpflanzen werden unterteilt in Sporenpflanzen (z.B. die Farne) und Samenpflanzen (Z.B. Nadelbäume und alle Blütenpflanzen)

Sporenpflanzen (mit Farnen)

Zu den Sporenpflanzen gehören Nacktfarne, Bärlappgewächse, Schachtelhalme und „echte“ Farne.

Thailand; ähnlich dürften frühe Wälder ausgesehen haben

Sie waren die ersten Pflanzen, die nennenswert in die Höhe wachsen konnten. Vor 300-400 Mio Jahren bildeten sie ganze Wälder. Diese großen Baumfarn-, Schachtelhalm- und Bärlappwälder sind noch heute sehr präsent: sie haben die ältesten Steinkohlevorkommen gebildet.

Warum gibt es solche Wälder heute nicht mehr? „Baumfarne“ und andere „große“ Sporenpflanzen gibt es tatsächlich auch jetzt noch, allerdings vor allem in den Tropen, sie mögen es warm, nass und schattig. Zur Zeit des Devon (ganz grob vor 350-400Mio Jahren) war es sehr viel wärmer auf der Erde. Da, wo es zusätzlich feucht genug war, bildeten sich riesige Sumpfgebiete, mit Regenwaldähnlichem Klima. Dort fanden diese frühen Pflanzen optimale Bedingungen. Sie sorgten dadurch auch für einen nennenswerten weiteren Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Luft.

Klimaänderungen und das Aufkommen der Samenpflanzen beendeten schließlich den Siegeszug der Sporenpflanzen. Es überlebten vor allem die kleineren Exemplare, die Nischen für sich gefunden haben. Es sollte an dieser Stelle erwähnt werden, dass es in der Erdgeschichte einige große Aussterbewellen gab, denen Teils über 80% aller zu jenem Zeitpunkt existierenden Arten (tierisches und pflanzliches Leben) zum Opfer fielen. Das genaue Zusammenspiel der jeweils möglichen Gründe ist nach wie vor Teil von Diskussionen und Forschungen.

Bärlappe gibt es heute nur noch als kleine, krautige, unverholzt wachsende Arten.

Schachtelhalme konnten im Devon ebenfalls bis zu 15m hohe verholzte „Bäume“ werden. Nur eine klein bleibende Gattung mit wenigen Arten gibt es noch heute, wobei diese allerdings recht weit verbreitet ist.

Farne

Die Farne sind unter den heutigen Sporenpflanzen mit Abstand am artenreichsten und nahezu weltweit verbreitet, mit einem Schwerpunkt in den Tropen. Die echten Farne haben als erste Pflanze in der Erdgeschichte große Blätter mit einem verzweigten Gefäßsystem gebildet. Die ganze Pflanze ist gegen Austrocknung mit einer wächsernen Cuticula bedeckt. Um dennoch einen Gasaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen, gibt es so genannte Spaltöffnungen (Stomata).

Fortpflanzung:

Farnwedel mit Sporangien

Spezialisierte Blätter tragen an der Unterseite braune Sporangien. Dies sind Kapseln, in denen die haploiden Sporen heran reifen. Schließlich werden die Sporen über einen Schleudermechanismus frei gesetzt und wachsen zum haploiden Gametophyten heran (vgl.: Exkurs). Dieser ist klein und unauffällig, wächst aber auch überirdisch und betreibt in der Regel Photosynthese, versorgt sich also selbst. Am Gametophyten befinden sich Archegonium (in diesem die Eizellen) und Antheridium (mit den Spermatozoiden). Die meisten Farnarten sind diesbezüglich „Zwitter“: ein Gametophyt produziert sowohl Eizellen als auch Spermatozoiden. Die Spermatozoiden werden freigesetzt und schwimmen zur Eizelle, um diese zu befruchten. Sie folgen dabei einem Sexuallockstoff, ausreichend Wasser ist Voraussetzung. Die Reifung von Eizelle und Spermatozoiden geht dabei an einem Gametophyten unterschiedlich schnell vonstatten, so dass keine Selbstbefruchtung stattfindet. Der diploide Sporophyt (also das, was wir als Farnpflanze kennen) wächst dann aus dem Gametophyten (Archegonium) heraus und bildet wieder neue Sporen. Der Gametophyt stirbt häufig nach kurzer Zeit ab.

Heute sind nahezu weltweit Pflanzen zu finden: ausgedehnte Wälder, knorrige Kiefern im Hochgebirge, Moose in Mauerritzen, bunte, duftende Blütenpflanzen in Beeten. Kaum noch vorstellbar, dass die Erde mehrere Milliarden Jahre lang ohne Landpflanzen existiert hat.

lange blieb das Leben auf das Wasser beschränkt

Die Erde ist rund 4,6 Mrd. Jahre alt. Gut 1 Milliarde Jahre dauerte es dann noch, bis es erste Einzeller gab. Eine weitere Milliarde Jahre später gab es erstmals photosynthetisch aktive Zellen: Cyanobakterien. Dies bedeutete auch, dass nun in größerem Umfang Sauerstoff produziert wurde (siehe Photosynthese). Dadurch reicherte sich die Atmosphäre mit Sauerstoff an, das Leben blieb aber noch lange auf das Wasser beschränkt.

Seit etwa 1,5 Mrd. Jahren gibt es Eukaryonten, also Zellen mit echtem Zellkern, wie auch wir Menschen sie haben. Eine wahre Explosion der Vielfalt des Lebens gab es vor gut 500Mio Jahren: Wirbellose Tiere und Algen gab es nun in großem Artenreichtum.

Das Land wurde erst vor etwa 430Mio Jahren erstmals besiedelt, über 3 Milliarden Jahre nach dem Meer. Das war tatsächlich ein riesiger Schritt, Schutz vor Austrocknung, Stützsysteme (unter Wasser ist man nahezu „schwerelos“) und ganz neue Methoden der Fortpflanzung mussten gefunden werden. Von den Tieren, aber auch von den Pflanzen.

Die ersten Landpflanzen hatten noch kein ausgeklügeltes Gefäßsystem, keine echten Wurzeln und kaum Stützgewebe. Sie wuchsen kaum in die Höhe und waren noch auf Wasser zur Fortpflanzung angewiesen. Auch brauchten sie ausreichend Niederschläge und/oder feuchte Böden, um nicht zu vertrocknen. Dies waren die Vorfahren unserer heutigen Moose. Sie haben es bis in die Gegenwart geschafft und setzen dabei immer noch auf ähnliche Mechanismen, wie vor 400Mio Jahren.

Moose gehören zu den ersten Landpflanzen

Schon bald entwickelten sich erste „Gefäßpflanzen“, das heißt Pflanzen mit einem Leitsystem für Wasser und Nährstoffe. Dieses erlaubt den Pflanzen, die lebenswichtigen Stoffe über die Pflanze verteilen zu können. Erst so war eine Spezialisierung der Gewebe möglich: die Wurzeln nehmen Wasser auf, genutzt werden kann es aber auch vom Spross und den Blättern. Der Spross stützt die Pflanze, so dass sie zum Licht wachsen kann und nicht im Schatten anderer Pflanzen bleiben muss. Die Blätter sind auf die Photosynthese spezialisiert, die für Energie und organisches Baumaterial sorgt. Dies kann dann wiederum in der ganzen Pflanze genutzt werden.

Mindestens ebenso wichtig waren neue Mechanismen zur Befruchtung und Verbreitung von Sporen/Samen und vor allem der Schutz des Embryos vor Austrocknung.

die ersten Landpflanzen: Moose und Farne

der Siegeszug der Samenpflanzen