Licht lässt Säf­te flie­ßen

Wie be­werk­stel­li­gen Pflan­zen oh­ne Herz und Hirn ih­ren Flüs­sig­keits­trans­port? Durch ein Zu­sam­men­spiel von Op­tik und Flui­dik, ant­wor­tet ein Phy­si­ker.

Die Presse am Sonntag - - Wissen - VON JÜR­GEN LANGENBACH

Dass ei­ne wis­sen­schaft­li­che Pu­bli­ka­ti­on, gar die ei­nes Phy­si­kers, mit Fo­tos von Topf­pflan­zen in der Woh­nung des Ver­fas­sers er­öff­net wird, hat man noch nicht ge­se­hen. Aber De­me­tri Ps­al­tis (Lau­sanne) hat zu Hau­se ei­ne Cala­thea, die sich, wenn es dun­kel wird, in ih­re Blät­ter ein­wi­ckelt. Vie­le Pflan­zen tun Ähn­li­ches, man weiß es seit Jahr­hun­der­ten, Dar­win nann­te es schla­fen. Wie geht das zu? Es kann nur am Licht lie­gen. Aber wirkt das um­we­gig, über in­ne­re Uh­ren („cir­ca­di­an clocks“), die je­den Mor­gen an der Son­ne jus­tiert wer­den? Oder re­agie­ren Pflan­zen di­rekt auf Hel­lig­keit?

Zu­min­dest par­ti­ell tun sie das, Ps­al­tis hat es er­kun­det, mit ei­nem Griff zum Licht­schal­ter: Sei­ne Cala­thea wach­te auf und streck­te sich. Mit dem Be­fund be­trat der Fach­frem­de ein Feld, das mit ähn­lich ba­sa­len Ex­pe­ri­men­ten Schritt für Schritt er­schlos­sen wur­de: 1649 pflanz­te Jan Bap­tis­ta van Hel­mont ei­ne Wei­de in ei­nen Topf, vor­her wog er sie und die Er­de, dann goss er re­gel­mä­ßig, sonst tat er nichts. Fünf Jah­re spä­ter wog er wie­der, der Baum war ge­die­hen, die Er­de hat­te mi­ni­mal Ge­wicht ver­lo­ren, van Hel­mont sah nur ei­ne Er­klä­rung: „164 Pfund Holz, Rin­de und Wur­zeln ent­stan­den aus Was­ser al­lein.“

Es war zu kurz ge­dacht, das be­merk­te 1771 John Priest­ley: Er stell­te ei­ne bren­nen­de Ker­ze in ei­nen Glas­be­häl­ter und ver­schloss den De­ckel, lang fla­cker­te die Flam­me nicht. In der nächs­ten Run­de setz­te er noch ei­ne Maus hin­ein, auch ihr Licht er­losch. Aber es bzw. sie blieb wohl­auf, als Priest­ley noch et­was hin­zu­füg­te, ei­nen Zweig Min­ze: Der ers­te Hin­weis auf die Fo­to­syn­the­se war da, es dau­er­te noch bis 1845, bis ge­klärt war, dass sie Was­ser, Koh­len­di­oxid (CO2) und Licht braucht, um Sau­er­stoff, or­ga­ni­sches Ma­te­ri­al und che­mi­sche Ener­gie zu er­zeu­gen. Licht ist in der Luft, CO2 auch, aber das Was­ser muss erst ein­mal aus dem Bo­den dort hin­kom­men, wo die Fo­to­syn­the­se läuft, hin­auf, in Bäu­men hoch hin­auf, und das oh­ne all das, was bei Tie­ren de­ren Le­bens­saft zir­ku­lie­ren lässt: „Ein Baum hat kein zen­tra­les Ner­ven­sys­tem (Ge­hirn), er hat auch kei­ne zen­tra­le Pum­pe (Herz)“, for­mu­liert Ps­al­tis das Pro­blem aus sei­ner Sicht.

Auch die­se mag ver­kürzt sein: Der Phy­si­ker hat sich sehr gut in die Bo­ta­nik ein­ge­ar­bei­tet, aber man­ches bleibt aus­ge­blen­det, et­wa die heiß de­bat­tier­te Fra­ge, ob Pflan­zen ein Ner­ven­sys­tem ha­ben. Dar­auf geht Ps­al­tis nicht ein, er braucht es nicht, kommt oh­ne Zen­tral­or­gan für die Lö­sung des Pro­blems auf, wie Was­ser die Bäu­me hin­auf­kommt.

„Das Zu­sam­men­spiel von Op­tik, Flui­dik und Bio­che­mie macht es mög­lich“: Das Was­ser wird hin­auf­ge­zo­gen, vom Licht. Das sorgt ganz oben da­für, dass die Sto­ma­ta, die Po­ren der Blät­ter, in de­nen Ga­se mit der Um­welt aus­ge­tauscht wer­den, sich öff­nen, via Che­mie und Phy­sik: Die Ener­gie des Lichts wird zu­nächst da­zu ge­nutzt, dass Pro­to­nen aus den Zel­len aus­tre­ten, das bringt ei­ne Po­ten­zi­al­dif­fe­renz in die Zell­wand, die po­si­tiv ge­la­de­ne Kal­zi­umio­nen ein­strö­men lässt. Sie zie­hen ne­ga­tiv ge­la­de­ne Chlo­rio­nen nach, die via Os­mo­se da­für sor­gen, dass Was­ser in die Zel­len drängt. Die­se schwel­len an, asym­me­trisch, das gibt den Weg frei. To­des­ge­fahr Ka­vi­ta­ti­on. Zu­gleich wer­den die Sto­ma­ta durch das Licht er­wärmt, Was­ser ver­duns­tet und tritt aus, das zieht Was­ser nach, durch das Xy­lem, ein Ge­fäß­sys­tem, das zu den Wur­zeln reicht. (Ein zwei­tes, das Phlo­em, ver­teilt die Pro­duk­te der Fo­to­syn­the­se.) Ab­rei­ßen darf der Fluss nicht, ins Sto­cken ge­ra­ten auch nicht, be­droht ist er oft: Bei Tro­cken­heit et­wa drin­gen durch das Xy­lem Luft­bläs­chen ein und blo­ckie­ren, mit Ka­vi­ta­tio­nen – sie sind ei­ne Par­al­le­le zu Em­bo­li­en, die uns den Tod brin­gen kön­nen –; man kann ih­re Bil­dung mit Spe­zi­al­mi­kro­fo­nen ver­fol­gen, es knis­tert ver­nehm­lich.

Be­son­ders häu­fig tut es das in Far­nen, Blü­ten­pflan­zen sind bes­ser ge­wapp­net, Ti­mo­thy Bro­d­ribb (Ho­bart) hat es be­merkt (Pnas, 11. 4.). Aber al­le Pflan­zen sind ge­fähr­det, und sie sind es al­ler­or­ten, auch in feuch­ten Re­gio­nen. Zu­dem ar­bei­ten Pflan­zen mit ho­hem Ri­si­ko hart am Li­mit, zu­min­dest Bäu­me tun es, ei­ne Grup­pe mit Ste­fan Mayr (Inns­bruck) hat es an 286 Ar­ten an ver­schie­dens­ten Stand­or­ten er­ho­ben (Na­tu­re 491, S. 752).

Noch et­was ha­ben Bäu­me ge­mein­sam, sie sind al­le et­wa gleich warm, ob sie nun im höchs­ten Nor­den wach­sen oder im tiefs­ten Sü­den, sie hal­ten 21,4 Grad Cel­si­us (plus/mi­nus 2,2), es ist die op­ti­ma­le Tem­pe­ra­tur für die Fo­to­syn­the­se (Na­tu­re 454, S. 411). Für die­se sor­gen Pflan­zen mit der Mor­pho­lo­gie und Phy­sio­lo­gie ih­rer Blät­ter, sie sind auch sonst kei­ne pas­si­ven Spie­ler, son­dern wis­sen die Macht des Lichts zu nut­zen: Blät­ter in pral­ler Son­ne ha­ben glat­te Ober­flä­chen, so fan­gen sie die gan­ze Ener­gie ein, Blät­ter wei­ter un­ten im Halb­schat­ten sind zer­furcht, das ist op­ti­mal für Streulicht. Aber zu viel darf auch nicht hin­ein, sonst nimmt der Fo­to­syn­the­se­ap­pa­rat Scha­den. Ei­ne Schutz­maß­nah­me be­steht dar­in, dass die Chlo­ro­plas­ten, die „Ma­schi­nen“der Fo­to­syn­the­se, bei Über­hit­zungs­ge­fahr wan­dern und sich so an­ord­nen, dass sie ein­an­der ab­schat­ten. Ps­al­tis sieht auch dar­in ein Mus­ter­bei­spiel für das, was sein neu­er Blick – er nennt ihn

Das Was­ser wird hin­auf­ge­zo­gen, auch hoch in die Bäu­me, vom Licht. Wenn das Licht aus­geht, fal­len nicht nur Topf­lan­zen in den Schlaf, auch Bäu­me tun es.

„op­tof­lui­dics“– zu­gäng­lich macht, und er hofft ge­ne­rell, auch an­de­re Phy­si­ker zur Be­schäf­ti­gung mit Pflan­zen an­zu­re­gen (APL Pho­to­nics, 17. 4.).

Man­che muss man nicht erst bit­ten: Wenn es dann wie­der Abend wird und Pflan­zen sich zur Ru­he bet­ten, dann tun das nicht nur je­ne in Ps­al­tis Woh­nung. Son­dern auch die Bäu­me im Wald. Dort gibt es kei­ne Licht­schal­ter, die man an/ab­dre­hen könn­te, dort braucht es an­de­re tech­ni­sche Ge­rä­te: La­ser mit so kur­zen Blit­zen, dass sie Pflan­zen ver­mes­sen kön­nen, oh­ne sie mit dem Licht zu be­ein­flus­sen. Ei­ne Grup­pe mit Nor­bert Pfei­fer (TU Wien) hat es ge­tan, an zwei aus­ge­wach­se­nen Bir­ken, ei­ner in Finn­land, ei­ner in Ös­ter­reich, in der Ge­gend von Horn (Fron­tiers in Plant Sci­ence, 17. 5.): Bei­de san­ken in der Nacht in sich zu­sam­men, um fünf bis zehn Zen­ti­me­ter, am tiefs­ten hin­gen die Äs­te et­wa ei­ne St­un­de vor Son­nen­auf­gang. Dann schoss wie­der Was­ser in sie hin­ein und rich­te­te sie auf. Über ei­ne in­ne­re Uhr oder die ers­ten Vor­bo­ten des Lichts? Das kön­nen die For­scher nicht ent­schei­den: „Idea­ler­wei­se müss­te man über meh­re­re Ta­ges­zy­klen ei­nen Baum mes­sen, der von na­tür­li­chem Licht iso­liert ist.“

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