Funktion der Spaltöffnungen

Spaltöffnungen

Wenn du schon einmal ein Blatt unter dem Mikroskop betrachtet hast, sind dir vielleicht besondere Strukturen an der Blattunterseite aufgefallen. Diese Strukturen sehen aus wie kleine Poren und werden als Spaltöffnungen bezeichnet. Aber was sind Spaltöffnungen und welchen Nutzen haben sie für die Pflanze? Sind sie nicht eher schädlich als nützlich, da über die Poren Wasser verloren geht? Diese Fragen kannst du in Kürze selbst beantworten.

Definition der Spaltöffnungen

Spaltöffnungen sind Poren in der Epidermis – dem Abschlussgewebe des Blatts – und befinden sich in der Regel auf der Blattunterseite. Betrachtet man einen Quadratzentimeter einer Epidermis unter dem Mikroskop, kann man bis zu 20.000 Spaltöffnungen zählen.
In der Fachsprache bezeichnet man Spaltöffnungen als Stomata. Eine Spaltöffnung wird von zwei Schließzellen begrenzt. Diese Schließzellen haben eine bohnenförmige Struktur, ungleichmäßig verdickte Zellwände, Chloroplasten und können ihr Wasservolumen regulieren. Zudem kann man zwischen drei verschiedenen Arten an Spaltöffnungen unterscheiden: dem Helleborus-Typ, dem Gramineen-Typ und dem Mnium-Typ.

Funktion der Spaltöffnungen

Das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen reguliert die Transpiration und den Austausch von Gasen.

Die stomatäre Transpiration macht den größten Teil der Transpiration aus. Trotz des kleinen Flächenanteils der Spaltöffnungen ist die Transpiration aufgrund des Randeffekts sehr effektiv. Dieser Effekt ermöglicht es, dass Wassermoleküle aus vielen kleinen Öffnungen leichter diffundieren als von einer entsprechenden freien Wasseroberfläche. Da Wassermoleküle auch seitlich aus den Spaltöffnungen austreten können und sich dabei nicht gegenseitig behindern, ist die Verdunstung besonders effektiv. Die hohe Verdunstungsrate ermöglicht somit einen großen Transpirationssog.

Zudem gibt es noch die kutikuläre Transpiration (Transpiration über die Kutikula), die von der Pflanze nicht reguliert werden kann, dafür aber auch nur einen geringen Teil zur Transpiration beiträgt.

Der Austausch von Gasen ist wichtig für die Fotosynthese. Sind die Spaltöffnungen offen, kann das für die Fotosynthese benötigte Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) in das Blatt hineindiffundieren und Sauerstoff ($\ce{O2}$) als eines der Endprodukte hinausströmen.

Regulation der Spaltöffnungen

Die Regulation der Spaltöffnungen hat essenzielle Auswirkungen auf die Pflanze. Somit wird sichergestellt, dass die Pflanze genug Kohlenstoffdioxid für die Fotosynthese bereitgestellt bekommt und der Wasserhaushalt reguliert wird.

Das Öffnen und Schließen von Spaltöffnungen ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zu den wichtigsten Faktoren zählt die Wasserversorgung, die Lichtverfügbarkeit und die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Blatt.

Wann öffnen sich die Spaltöffnungen?
Das Öffnen der Spaltöffnungen erfolgt dann, wenn die Temperaturen für die Pflanze optimal sind, genug Wasser zur Verfügung steht und Kohlenstoffdioxid benötigt wird. Da für die Fotosynthese unter anderem Kohlenstoffdioxid benötigt wird, muss dieser in einer ausreichenden Konzentration vorliegen. Wenn die Konzentration dieses Gases zu gering ist, müssen die Spaltöffnungen aufgehen. Nur so kann die Pflanze die benötigte Glucose zur Ernährung synthetisieren.

Aufgrund von Wassereinstrom in die Schließzellen dehnen sich deren unverdickte Zellwandbereiche aus, in der Folge krümmen sich die Zellen und die Pore öffnet sich. Damit Wasser in die Schließzellen überhaupt einströmen kann, muss die osmotische Saugkraft der Schließzellen erhöht werden. Dazu müssen Ionen in die Schließzellen diffundieren. Dies erfolgt aufgrund der geringeren Ionenkonzentration in den noch wasserarmen Schließzellen. In die Schließzellen strömen Kaliumionen ($\ce{K+}$) und Chloridionen ($\ce{Cl-}$). Zudem werden osmotisch aktive, anorganische Malationen synthetisiert. Dadurch kann das Wasser nachströmen.

Wann schließen sich die Spaltöffnungen?
Die Spaltöffnungen werden geschlossen, wenn es zu heiß und zu trocken ist und dementsprechend zu wenig Wasser zur Verfügung steht.

Bei der Schließung der Spaltöffnungen ist es genau andersherum. Die osmotische Saugkraft der Schließzellen sinkt, indem die Ionen aus der Zelle hinausdiffundieren und das Wasser hinterherströmt. Die Synthese von Malationen wird unterbunden. Somit nimmt das Wasservolumen in den Schließzellen ab und die Zellen werden flacher, sodass sich die Poren schließen.

Vor allem an heißen Sommertagen bedeutet die Regulation der Spaltöffnungen Stress für die Landpflanze. Die Pflanze muss zwischen Verhungern – geschlossene Spaltöffnungen wirken der Fotosynthese entgegen und damit der Produktion von Glucose – und Verdursten – geöffnete Spaltöffnungen führen zu Wasserverlust durch Transpiration – wählen. Dies bezeichnet man auch als Dilemma der Landpflanzen.

Je nach klimatischen Bedingungen und Pflanzenart werden die Spaltöffnungen zu unterschiedlichen Tageszeiten geöffnet.

Die nachfolgende Abbildung dient zur Veranschaulichung der Spaltöffnungen. Es wird noch einmal deutlich, welche Vorgänge bei den geöffneten und geschlossenen Spaltöffnungen ablaufen.

Zusammenfassung – Spaltöffnungen

• Spaltöffnungen (Stomata) sind Poren in der Epidermis der Blätter.
• Sie sind von jeweils zwei Schließzellen begrenzt, die ihr intrazelluläres Wasservolumen verändern können. Diese Regulation erfolgt über den Ein- bzw. Ausstrom von Ionen.
• Die Spaltöffnungen regulieren überwiegend die Transpiration sowie den Gasaustausch von Pflanzen.
• Das Dilemma der Landpflanzen: Verhungern oder Verdursten

Du hast gelernt, dass Spaltöffnungen sehr wichtig für die Pflanzen sind, und kannst die Spaltöffnungen beim Mikroskopieren nun auch erkennen. Jetzt hast du einen ersten Einblick über die Biologie der Spaltöffnungen erhalten und kannst im Anschluss dein Wissen mit dem Arbeitsblatt zu Spaltöffnungen überprüfen.