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Die Entstehung der Pflanzen - Teil 1

  • Heutzutage ist fast die gesamte Erdoberfläche von Pflanzen besiedelt, sie haben eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit bewiesen, sind in allen Lebensräume zu finden und bilden die Grundlage des Lebens. Von der trockenen Hitze der Sandwüsten bis hin zu den kalten Polargebieten.

    Dass das Leben im Meer entstand wisse viele, gilt es doch als wissenschaftlich gesichert. Doch wie haben die Pflanzen den „Schritt“ aus dem Wasser aufs Land geschafft? Welche morphologischen Veränderungen und Verhaltensanpassungen mussten sie vornehmen, um sich von einzelligen Algen zu über 100m hohen Baumgiganten zu entwickeln und den geänderten Bedingungen an Land standzuhalten? Die Grundzüge dieser Entwicklung sollen im Folgenden dargestellt werden…

    (Da dieses Thema sehr komplex ist, wurde der Begriff Pflanze bzw. Alge sehr allgemein gehalten und manche Prozesse vereinfacht dargestellt, um die Übersicht zu erhalten)

     

                                                  Teil 1: Vom Einzeller zur Gefäßpflanze

     

    Die einzellige Alge

    Am Beginn der Entstehung der Pflanzen standen einzellige eukaryotische Algen. Diese entwickelten sich wohl zunächst aus prokaryotischen Einzellern, die sich von anderen prokaryotischen Einzellern (z.B. Cyanobakterien oder α-Proteobakterien) ernährten. Dabei kam es vor, dass die aufgenommene „Nahrung“ nicht verdaut, sondern in den Organismus eingebaut wurde. So entstand ein neues „Zellorgan“, welches eine bestimmte Aufgabe ausführte und der Zelle dadurch einen Vorteil verschaffte (Cyanobakterien wurden zu Chloroplasten, α-Proteobakterien wurden zu Mitochondrien).

    Dieser Vorgang wiederholte sich einige Male und es fanden verschiedene Umbildungen in der Zelle statt, wie z.B. die Einfaltung der Plasmamembran zur Oberflächenvergrößerung (besserer Stoffaustausch mit der Umgebung), das Entstehen des Cytoskeletts (als Ersatz für die verlorengegangene Zellwand) oder die Ausbildung des Zellkerns. So entstand schließlich aus einer einfachen prokaryotischen Zelle, eine komplexe eukaryotische Zelle (->Endosymbiontentheorie). Die neu entstandene Zelle konnte nun selbstständig aus Sonnenlicht ihre Energie beziehen und war nicht mehr auf die Ernährung durch andere Einzeller angewiesen. Die ersten „Algen“ waren entstanden. Diese konnten sich häufig noch aktiv durch eine Geißel fortbewegen.

     

    Links: Einzellige Grünalge Chlorella vulgaris, Rechts: Kolonie der Grünalge Volvox aureus

      links: Einzellige Grünalge Chlorella vulgaris, rechts: Kolonie der Grünalge Volvox aureus

     

    Entwicklung zum Vielzeller

    Waren die einzelligen Algen anfangs noch auf sich alleine gestellt, entstanden nach und nach verschiedene Organisationsformen, bei denen sich mehrere Einzeller zusammenlagerten und sich zum Beispiel mit einer schützenden Gallerthülle umgaben. Zunächst waren die einzelnen Zellen weiterhin autonom, mit der Zeit könnten sich durch Arbeitsteilung der Einzelzellen die Vielzeller entwickelt haben.

    Eine weitere Möglichkeit ist, dass sich nach der Teilung eines Einzellers die beiden neu entstandenen Zellen nicht trennen, sondern weiterhin zusammen bleiben. Somit entsteht nach mehrmaliger Zellteilung eine große Kolonie. Die in diesen Ansammlungen befindlichen Zellen spezialisieren sich nun auf verschiedene Aufgaben wie Fortbewegung oder Fortpflanzung.

    Diese neu entstandenen Vielzeller hatten nun das Potential sich zu vergrößern und einen Thallus -einen vielzelligen Vegetationskörper- zu entwickeln. Es zeigte sich nunmehr der Trend, sich vom Einzeller zum komplexen, differenzierten Vielzeller zu Entwickeln. Zu Beginn hatten die Zellen meist nur einen Chloroplast (Organ der Photosynthese), jedoch konnte dieser vielfältige Formen annehmen. Die Entwicklung ging nun dahin viele kugel- bzw. eiförmige Chloroplasten zu bilden.

    (Ein weiterer Schritt wurde bei der Fortpflanzung vorgenommen: Vermehrten sich die Einzeller noch vegetativ durch Zellteilung, ging der Trend in Richtung geschlechtlicher Fortpflanzung und stärkerer differenzierten Gameten (Keimzellen), sowie einer zunehmenden Dominanz der diploiden Lebensphase. Bisher war die dominierende Lebensform der haploide Gametophyt und lediglich die Zygote diploid.)

    Im Wasser konnte nun eine große Vielfalt an Algen entstehen. Sie reichte von kleinen Einzellern bis hin zu hochentwickelten Vielzellern.

    Diverse Formen von Grünalgen

     

    Übergang an Land

    Eine Gruppe dieser Vielzeller, die Grünalgen, schafften schließlich den Übertritt in den neuen Lebensraum. Aus ihnen gingen die Landpflanzen hervor.

    Die Algen breiteten sich Unterwasser immer weiter aus, so dass sie auch sehr nah an die Wasseroberfläche der Uferbereiche kamen. Sank der Wasserspiegel kurzfristig, waren sie schutzlos  Sonne und Luft ausgesetzt und trockneten aus. Um diesen tödlichen Vorgang abzuwehren, mussten sich die Algen etwas einfallen lassen. Wahrscheinlich entwickelten sie zunächst die Cuticula, eine schützende Wachsschicht, die das Verdunsten des Wassers erschwerte und es den Algen somit ermöglichte kurze Zeit auf dem Trockenen zu überleben.

    Mit fortschreitender Entwicklung entstanden so die ersten Pflanzen, die zwar an Land lebten, aber direkt auf Wasser oder eine feuchte Umgebung angewiesen waren -  die Moose.

    links: Brunnenlebermos  (thallose Form), rechts: Laubmoos (Unterteilung in Blättchen, Stämmchen und Rhizoide)

     

    Die Cuticula verhinderte jedoch den Stoffaustausch mit der Umgebung, wie er Unterwasser möglich gewesen war, so mussten Luftkanäle gebildet werden, die in Atemöffnungen endeten und den Luftaustausch ermöglichten. Da diese in ihrer Öffnungsweite nicht reguliert werden konnten und immer offen standen, verlor die Pflanze weiterhin viel Wasser.

    Diese Moose hatten zunächst eine thallose (lappenartige) Form. Zur Wasseraufnahme, welche bisher über die Oberfläche erfolgte, wurden wurzelähnliche Strukturen entwickelt, die gleichzeitig der Verankerung im Boden dienten. Um das Wasser an alle Zellen im Körper zu verteilen entstanden Vorläufer von Leitgeweben (Hadrom und Leptom), die Wasser und Nährstoffe transportierten, aber noch auf Diffusion beruhten.

    In der weiteren Entwicklung entstanden regulierbare Atemöffnungen (die bei Trockenheit geschlossen werden konnten) und es zeigte sich immer mehr eine Unterteilung in Blättchen, Stämmchen und Rhizoide (wurzelähnliche Strukturen). Sie erwarben sich weiterhin eine gewisse Austrocknungstoleranz. Trockneten die Pflanzen langsam aus, wurde ihr Stoffwechsel gestoppt, fiel wieder Regen fuhren sie ihre Photosynthese wieder hoch. Zusätzlich waren sie in der Lage ihren Embryo durch eine Schutzhülle vor dem Austrocknen zu bewahren.

    (Die dominierende Generation war immer noch der haploide Gametophyt (das was wir als Moos kennen), der den diploiden Sporophyten ernährte bis dieser die nächste haploide Generation hervorbrachte. Zur Befruchtung waren Moose weiterhin auf Wasser angewiesen um die männlichen Gameten zu transportieren.)

     

    Die ersten Gefäßpflanzen

    Moose sind noch recht kleine, niedrig wachsende Pflanzen. Um größer zu werden und weiter in die Höhe wachsen zu können,  musste ein effizienteres Transportsystem geschaffen werden. Die echten Leitbündel mit Tracheiden entstanden. Mit ihnen konnten nun Wasser und Nährstoffe effektiv in der Pflanze befördert werden. Ein positiver Nebeneffekt: Die Tracheiden waren feste Zellen und boten der Pflanze Stabilität, welche für das Höhenwachstum auch dringend benötigt wurde, da nun kein Wasser mehr vorhanden war, das die Pflanzen durch Auftrieb stützte. Diese Pflanzen hatten den Vorteil sich auf der Suche nach Sonnenlicht weit nach oben strecken zu können und das Licht vor den direkt am Boden lebenden Pflanzen zu erreichen – Farne und Farnähnliche (die ersten echten Gefäßpflanzen mit einer Unterteilung in Wurzel, Sprossachse und Blatt) waren entstanden.

     

    links und Mitte: Dichter Bewuchs mit Wurmfarn, rechts: Baumfarn

    Mittlerweile war die diploide Generation (der Sporophyt) dominant (das was wir als Farn kennen) und wurde in seiner Anfangsphase (als Zygote und Embryo) durch den  haploiden Gametophyt ernährt. Dieser war nach der Unabhängigkeit des Sporophyten jedoch weiterhin in der Lage fortzubestehen.

    Es konnte sich nun eine Vielzahl neuer Formen wie Palmfarne, Schuppenbäume und Schachtelhalme entwickeln, die teilweise eine Höhe von 40m erreichten.Solch ein massenhaftes Auftreten Photosynthese betreibender Organismen veränderte die Atmosphäre extrem. Lag der CO2 –Gehalt anfangs bei ca. 0,5%, wurde er durch die Speicherung in der Biomasse der Pflanzen auf etwa 0,04% am Ende des Karbon abgesenkt. Dagegen stieg der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre von zunächst knapp 3% auf die Höchstkonzentration von annähernd 35% (gegenwärtig stabil bei etwa 21%). Dies war die Vegetation des Devon und Karbon. Noch heute können wir die Wälder von damals bewundern - als Braunkohle. Jedoch verschwinden diese „Schatztruhen“ durch den Braunkohle-Tagebau sehr schnell.

    Der hohe Gehalt an Sauerstoff in der Atmosphäre führte wohl zu einem massenhaften Absterben anaerober Mikroorganismen. Aber er ermöglichte das Fortschreiten der Entwicklung komplexer Tiere mit höherem Energiebedarf (z.B. Rieseninsekten, erste Amphibien und Reptilien).

     

    Der nächste Teil handelt von der Entstehung der Samen- und Blütenpflanzen.

     

     

    Bildnachweis:

    Volvox aureus: © Gerd Güther http://www.fotocommunity.de/pc/pc/mypics/899023/display/9158386

    Grünalgen: © Dr. Patrick Steinmann www.psteinmann.net

    Lebermoos: © Franz Mattuschka http://de.wikipedia.org/wiki/Brunnenlebermoos#/media/File:Brunnenlebermoos_Marchantia_polymorpha.jpg

Kommentare

1 Kommentar
  • Makah
    Makah Vielen Dank :) Die Grundlage für den Bericht sind die Vorlesungen "Pflanzenreich" und "Pflanzenphysiologie" aus meinem Studium.
    19. Mai 2015