Der grüne Planet - Kapitel 17: Wie die Menschen auf die Pflanzen kamen

Weißt Du, welche beiden wissenschaftlichen Arbeiten wahrscheinlich die meisten Menschenleben gerettet haben? Die meisten würden wohl auf Antibiotika oder Impfungen tippen. Aber auch wenn diese ein enormer Segen waren, gibt es da große Konkurrenz. Das eine ist das Haber-Bosch-Verfahren zur künstlichen Herstellung von Stickstoff, das ursprünglich vor allem zur Sprengstoffentwicklung erfunden wurde, heute aber vor allem die Grundlage von Kunstdünger darstellt. Es gibt Schätzungen, dass heute ein Fünftel bis ein Viertel des gesamten Proteins in der menschlichen Ernährung auf das Haber-Bosch-Verfahren zurückgeht! Damit hängen etwa 1,5 bis 2 Milliarden Menschenleben davon ab! Haber und Bosch erhielten 1918 und 1931 dafür den Chemienobelpreis.

Der andere Kandidat ist Norman Borlaug, der als Vater der „Grünen Revolution“ gilt. Seine Arbeit galt der Steigerung der Erträge von Nutzpflanzen, um den Hunger auf der Welt zu bekämpfen. Ein zentraler Erfolg war die Züchtung von Getreidesorten mit kürzeren Halmen, die mehr Frucht tragen können und seltener umknicken und dadurch geringere Verluste haben. Vielleicht ist Dir schon einmal aufgefallen, dass auf alten Bildern oder Fotos Weizen den Menschen bis über die Köpfe wuchs – heute wächst er nur bis zur Hüfte! Borlaug forschte aber auch an vielen konkreten Verbesserungen wie gezieltem Dünger- und Pestizideinsatz und arbeitete gezielt in Mexiko, Südostasien und Afrika, um den Menschen dort zu helfen, mehr Ertrag zu erzielen, ohne dafür die letzten Naturräume vernichten zu müssen. Borlaug erhielt 1970 den Friedensnobelpreis und wurde als „Der Mann, der eine Milliarde Leben gerettet hat“ bezeichnet, andere Schätzungen gehen davon aus, dass wir durch seine Arbeiten heute zwei Milliarden Menschen mehr ernähren können als vorher. Haber, Bosch und Borlaug haben damit zusammen wohl mehr Leben gerettet, als das gesamte Feld der Medizin!

Warum aber sind diese Namen so vielen Leuten nicht bekannt? Warum ist die Geschichte der Landwirtschaft überhaupt meist nur ein Nebenthema? Zum einen sicher, weil die Arbeit im Feld über lange Zeiten eine Arbeit der ärmeren Schichten war und die Wohlhabenderen eher das Land besessen und verwaltet haben. Noch heute verbinden wir mit dem „Bauern“ ja verschiedene Klischees, die dem Anspruch und der Bedeutung des Berufs überhaupt nicht gerecht werden! Zum anderen spielt sich die Entwicklung der Landwirtschaft über Jahrhundete und Jahrtausende ab und setzt sich viel öfter aus unzähligen kleinen Innovationen zusammen und seltener aus einzelnen großen Durchbrüchen, die sich mit einem Namen verbinden lassen. Also werfen wir doch einmal einen Blick auf diesen langen Weg und auf ein paar der bahnbrechenden Erfindungen und Entdeckungen, die die Geschichte der Menschheit wohl oft mehr geprägt haben, als die meisten Herrscher oder Kriege!

Alles beginnt mit Sammlern und Jägern, die die Natur um sich herum genau kennen mussten, um erfolgreich Nahrung zu finden. Vieles von diesem Wissen wurde wahrscheinlich auch zur Grundlage der ersten Anbauversuche: Zu wissen, wo bestimmte Pflanzen gut wachsen, wann sie keimen und wann Früchte tragen, ist für Sammler genauso wichtig wie für Bauern! Möglicherweise hatten frühe Menschen schon lange vor dem, was wir als Landschaft kennen einen Einfluss auf Verbreitung und Häufigkeit ihrer Nahrungspflanzen. Wie andere Tiere auch dürften sie Samen verbreitet haben – ob als verlorenes Sammelgut, weggeworfene keimende Samen oder Kot. Ob sie damals auch schon basierend auf ihrem Beobachtungswissen versucht haben, gezielt beliebte Pflanzen nahe ihrer Rastplätze oder Wanderrouten anzusiedeln, kann wohl niemand mit Sicherheit sagen. Dass Menschen sehr früh schon ihre Landschaften verändert haben und zum Beispiel durch Brandrodungen offene Flächen geschaffen haben, auf denen sich besser jagen ließ, ist inzwischen bekannt – vielleicht war der Beginn des Pflanzenbaus ganz ähnlich und man hat kleine Lichtungen, Überflutungsflächen oder ähnliches angelegt, um das Wachstum gewünschter Pflanzen zu fördern. Eine ähnliche Art der „Landwirtschaft“ betreiben Biber mit ihrem Dammbau.

Die Ursprünge gezielten Anbaus von Pflanzen und auch der Nutztierhaltung lagen wahrscheinlich in der jüngeren Dryaszeit vor etwa 12.000 Jahren, als das Klima sich abkühlte und bisher wandernde Kulturen sesshafter wurden und auf neue Ernährungsweisen und Vorratshaltung angewiesen wurden. Darauf, dass eine Änderung des Klimas hierfür ausschlaggebend war, weist hin, dass diese „Neolithische Revolution“ fast zeitgleich in Amerika, Asien und dem Nahen Osten stattfand. Mit dem gezielten Anbau von Pflanzen begann auch eine intensivere Veränderung der Landschaft mit Rodungen, um Anbauflächen zu gewinnen und den ersten Pflügen, die den Boden auflockern und unerwünschte Pflanzen bekämpfen konnten. Damals begann auch die gezielte Auswahl von Pflanzen, sowohl von Arten, die sich gut anbauen und nutzen ließen, als auch von Varietäten innerhalb dieser Arten. Zu den ersten sicheren Hinweisen auf den Anbau von Pflanzen zählen Funde von Getriedeähren, die nicht mehr zerfallen – für ein wild wachsendes Gras ein Nachteil, da sich seine Samen schlechter verbreiten, für ein Getreide ein Segen, da es sich viel leichter und auch über einen längeren Zeitraum ernten lässt. Aus einer Wildpflanze war eine Nutzpflanze geworden, die auf den Menschen angewiesen ist, man spricht von der Domestikation, von lateinisch domesticare „häuslich machen, ins Haus holen“.

Wie in der Folge Nutzpflanzen und menschliche Kulturen sich gegenseitig beeinflusst haben, hast Du im letzten Kapitel an Beispielen wie dem Weizen und Reis schon gehört. Mit der Landwirtschaft kam für viele Kulturen die dauerhafte Sesshaftigkeit, es entstanden die ersten Städte, Handel und damit auch Reichtum und Armut. Die Bevölkerung wuchs, wobei sie aber nicht immer auch langlebiger und gesünder wurden – zumindest, wenn man nach den Skelettfunden verschiedener Kulturen geht. Ob diese aber zwischen seßhaften Kulturen und Nomaden wirklich gut vergleichbar sind, sollte man hinterfragen. Dass es zwischen Ackerbauern und Viehzüchtern auch immer wieder zu Konflikten kam, spiegelt sich wohl auch in der biblischen Geschichte von Kain und Abel, wo der Landwirt Kain den Hirten Abel erschlägt, weil Gott dessen Opfergaben bevorzugte. Die gegenseitige Abhängigkeit von Menschen und ihren Nutzpflanzen beschreibt der israelische Historiker Yuval Harari in seinem Bestseller „Eine kurze Geschichte der Menschheit“ sogar als den größten Betrug der Geschichte, da er die Menschen unfreier gemacht habe und die Pflanzen somit eigentlich den Menschen domestiziert hätten. Das erscheint aber eher als die Sicht eines modernen Freiheitsidealisten, der sich keine Sorgen um seine Ernährung machen muss und passt weder besonders gut zu den klimatischen Anstössen des ersten Ackerbaus, noch zur Geschichte der einzelnen Nutzpflanzen und wird vor allem weder den Pflanzen, noch den Leistungen der ersten Ackerbauenden gerecht!

In den verschiedenen Regionen der Welt entwickelten sich dann verschiedene Formen der Landwirtschaft immer weiter, abhängig von klimatischen Umständen, den genutzten Pflanzen und auch den Moden und Geschmäckern der jeweiligen Kulturen. Neben der Grundversorgung wurden auch immer mehr Pflanzen von Bedeutung, die dem Genuß dienten, wie die Kirsche, Wein oder Kakao, dessen Bohnen bei den Maya sogar Zahlungsmittel waren. Die Pflanzen veränderten sich dabei weiter und auch wenn die Menschen lange auf die Auswahl zufällig entstehender Variationen angewiesen waren, wurden immer wieder ähnliche Züchtungsziele verfolgt: höherer Ertrag, besserer Geschmack und Verträglichkeit und leichterer Anbau.

Aus der Antike kennen wir auch erste Werke, die man den Agrarwissenschaften zurechnen kann, so das etwa 150 v.Chr. entstandene De agri cultura (Über den Ackerbau) des römischen Staatsmanns Cato dem Älteren – ja dem mit ceterum censeo Carthaginem esse delendam. In dem Werk geht es vor allem darum, wie ein Großgrundbesitzer einen profitablen Betrieb führt, aber Angaben zur Auswahl geeigneter Böden, zur Berücksichtigung von Transportwegen und anderem, geben einen Einblick, wie anspruchsvoll erfolgreiche Landwirtschaft seit jeher ist. Aus dem ähnlichen Werk De re rustica (Über die Landwirtschaft) von Marcus Terentius Varro stammt dabei sogar die älteste bekannte Beschreibung der Keimtheorie der Krankheitsentstehung: „Sei achtsam in der Nähe von Sümpfen, […] denn hier leben Tierchen so klein, dass man sie nicht mit dem Auge sehen kann, die mit der Luft über Mund und Nase in den Körper eindringen und schwere Krankheiten hervorrufen können!“ (Advertendum etiam, siqua erunt loca palustria,[...] quod crescunt animalia quaedam minuta, quae non possunt oculi consequi, et per aera intus in corpus per os ac nares perveniunt atque efficiunt difficilis morbos).

Im Laufe der Zeit entwickelten sich immer mehr spezialisierte Anbauformen, von den überfluteten Reisfeldern Asiens, der Optimierung der Fruchfolge in der europäischen Dreifelderwirtschaft bis zu den künstlichen Inseln (Chinampas), mit denen die Azteken in Mexiko Land für den Pflanzenanbau gewannen. In tropischen Regionen war dabei der Etagenanbau weit verbreitet, bei dem in einem weitgehend intakten Wald zahlreiche verschiedene Nutzpflanzen angebaut wurden. Diese Anbauform erlaubt eine langfristige Nutzung eigentlich eher armer Böden und ganzjährige Ernten, von den Europäern der Kolonialzeit wurde sie aber oft nicht verstanden, geschätzt oder überhaupt als effektive Form der Landwirtschaft erkannt, was wohl oft zum Bild kulturell unterlegener „Wilder“ beitrug. In vielen Regionen begann damals der gezielte Anbau von Nutzpflanzen zum Erhalt von Kolonien, zur Ernährung von Sklaven und für den internationalen Handel. Der weltweite Austausch von Pflanzen- und Tierarten, aber auch Kreankheiten, in dieser Zeit wird auch als „Kolumbianischer Austausch“ bezeichnet und prägt unsere Welt bis heute.

Ab dem 18., aber vor allem im 19. und 20. Jahrhundert begann sich die Landwirtschaft immer schneller zu ändern. Der Einsatz von Maschinen führte dazu, dass einzelne Höfe mit weniger Arbeitskräften größere Flächen bearbeiten konnten – und machte dadurch gleichzeitig Arbeiter für die industrielle Revolution verfügbar. 1840 veröffentlichte Justus Liebig das Buch „Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie“, das als Grundlage für den modernen, gezielten Einsatz von Mineraldüngern gilt. Von der Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens habe ich ja schon erzählt.

Auch die wissenschaftliche Betrachtung der Pflanzenzüchtung wurde immer bedeutender und es entstanden Werke wie Mendels Versuche über Pflanzen-Hybriden von 1866 und Darwins Die Wirkungen der Kreuz- und Selbst-Befruchtung im Pflanzenreich (The Effects of Cross and Self Fertilisation in the Vegetable Kingdom) von 1876 – beide beschrieben dabei auch schon die Beobachtung, dass fremdbestäubte Pflanzen oft ertragreicher sind, was heute vielfach bei der Hybridzüchtung genutzt wird. Hierzu werden zwei Inzuchtlinien miteinander gekreuzt um ein besonders ertragreiches Hybridsaatgut hervorzubringen,in der Genetik wird diese Generation auch als F1 bezeichnet. Dies hat allerdings auch den Nachteil, dass das Saatgut dieser Pflanzen meist wieder weniger ertragreiche Folgegenerationen hervorbringt und so F1-Saatgut immer wieder nachgekauft werden muss.

Ein immer besseres Wissen über Genetik und Pflanzenphysiologie erlaubten im 20. Jahrhundert auch neue Züchtungstechniken. Bei der Mutationszüchtung werden dabei durch Strahlung oder Chemikalien neue Varianten von Pflanzen in viel höherer Menge erzeugt, als sie rein natürlich auftreten würden, bei der Präzisionszüchtung werden Pfanzen genetisch auf erwünschte Eigenschaften untersucht, so dass geeignete Individuen zur Zucht viel schneller ausgewählt werden können. Das Zusammenspiel von Pflanzenzucht, Düngereinsatz und den durch die chemische Industrie bereitgestellten Pflanzenschutzmitteln erlaubt uns heute Menschen in einer Zahl zu ernähren, die über weite Teile unserer Geschichte unvorstellbar gewesen wären – und das, ohne dafür unsere letzten Naturräume opfern zu müssen. Natürlich kamen mit der modernen Landwirtschaft auch einige neue Probleme: Von Umweltverschmutzung über eine wachsende Ungleichheit zwischen Stadt und Land aber auch zwischen verschiedenen Ländern und Kulturen zu einer zunehmende Monopolstellung von Saatgutherstellern bis hin zur gewinnorientiertem Anbau und Handel von landwirtschaftlichen Produkten, der mit der Ernährung konkurriert. Auch löst das Erreichte natürlich bei weitem nicht alle Herausforderungen, die mit weiterem Bevölkerungswachstum oder gar dem Klimawandel uaf uns zukommen. Vieles davon – und ein paar mögliche Lösungen – nennt übrigens auch Normal Borlaug schon 1970 in seiner absolut lesenswerten Nobelvorlesung – wirklich darauf gehört, haben wohl zu wenige.

Die nächste große Revolution im Pflanzenbau wird sicher – beziehungsweise ist in einigen Bereichen schon die direkte Manipulation pflanzlicher Gene über Grüne Gentechnik und Genomeditierung. Was das ist, was es kann, aber auch welche Probleme uns damit vielleicht erwarten, erfährst Du im nächsten Kapitel.

Der Grüne Planet: Kapitel 16 – Sag mir, was Du isst...

Kennst Du die Pflanzen, die die Welt ernähren? Falls nicht, dann lohnt es sich, mal bei der Webseite der Food and Agricultural Orgnaization (FAO) der Vereinten Nationen vorbeizuschauen. Dort finden sich unglaublich viele Informationen über alles, was mit der Ernährung der Menschheit zu tun hat. Und auf der Unterseite Faostat findet man Zahlen zu allem möglichen. Schauen wir uns da doch mal die Pflanzen an, von denen 2021 am meisten geerntet wurde¹ oder die die größten Anbauflächen² hatten – und geben jeder ein kleines Porträt, okay? Los geht’s!

Platz 1: Zuckerrohr (Saccharum officinale), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 1,859 Milliarden Tonnen

Anbaufläche: 26 Millionen Hektar (Platz 15), davon 2019 etwa 0,07% gentechnisch verändert

Ertrag: 70,5 Tonnen/Hektar

Zuckerrohr ist die Pflanze mit der höchsten Erntemenge weltweit. Das Mark seiner Sprosse enthält 10-20% Sachharose, die als Rohrzucker gewonnen wird, der teilweise auch zu Ethanol weiterverarbeitet wird, entweder als Schnaps oder Brennstoff. Der Rest der Pflanze kann entweder verfeuert, gehäckselt als Tierfutter oder zur Herstellung von Papier verwendet werden. Zuckerrohr ist häufig eine sogenannte „cash crop“, also eine Pflanze, die zum Export und Verkauf produziert wird und weniger zur Selbstversorgung der anbauenden Gesellschaften. Auch wenn der Anbau solcher cash crops gelegentlich Nahrungsmittelknappheiten verschärfen kann, sollte man auch nicht übersehen, dass sie oft wesentlich für einen gewissen Wohlstand von Gesellschaften sein können. Also Quelle für etwa 70% des weltweit produzierten Zuckers trägt die Pflanze natürlich auch nicht unwesentlich zu vielen Gesundheitsproblemen bei. Man kann sie als eine Quelle billiger aber sonst wenig nahrhafter Kalorien betrachten. Da es warme Temperaturen benötigt, liegen seine Anbaugebiete in den Tropen und Subtropen. Ursprünglich stammt das Zuckerrohr wohl aus Ostasien, wo es seit dem 5. Jahrhundert v. Chr. genutzt wurde. Im 16. Jahrhundert wurde es in der Karibik eingeführt und hier von Sklaven auf Plantagen angebaut. Die Hauptanbauländer heute sind Brasilien und Indien.

Platz 2: Mais (Zea mays), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 1,210 Milliarden Tonnen (Frucht), 8,8 Millionen Tonnen Grünpflanze

Anbaufläche: 206 Millionen Hektar (Frucht, Platz 2), 1 Million Hektar (Grünpflanze), davon 2019 etwa 31% gentechnisch verändert

Ertrag: 5,8 Tonnen/Hektar (Frucht), 8,5 Tonnen/Hektar (Grünpflanze)

Auch Mais gehört – wie alle echten Getreide – zur Familie der Süßgräser, die aber nicht alle süß schmecken, aber im Gegensatz zur Familie der Sauergräser (Cyperaceae) oft gute Futter- oder Nutzpflanzen abgeben, worauf sich auch der wissenschaftliche Name Poaceae bezieht, der sich von altgriechisch πόα (póa, Futter) herleitet. Mais stammt ursprünglich aus Mittelamerika und war dort ein so wichtiges Grundnahrungsmittel, dass die Götter der Mayamythologie daraus die Menschen formten. Als C4-Pflanze ist Mais in wärmeren und trockeneren Klimaten anderen Getrieden überlegen, bei uns darf er erst ausgesät werden, wenn kein Frost mehr zu erwarten ist. Mais ist in Mittelamerika und Afrika auch heute noch ein wichtiges Grundnahrungsmittel, etwa 60% des weltweiten Anbaus wird aber zu Tierfutter verarbeitet. Daneben wird Mais noch als Energiepflanze und zur Herstellung von Bioethanol verwendet. Dass Mais relativ empfindlich auf Staunässe reagiert und daher in Maisfeldern gelegentlich kreisrunde Schadstellen in Feldern auftauchen, könnte der Ursprung der Legende von von Aliens erzeugten Kornkreisen sein – die heute aber meist von Menschen angelegt werden. Die größten Maisproduzenten heute sind die USA, Brasilien und China. In den amerikanischen Ländern ist ein Großteil des angebauten Mais gentechnisch verändert, wobei vor allem Resistenzen gegen Herbizide und Insektenfrass angewandt werden, letzteres vor allem gegen den Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera) und den Maiszünsler (Ostrinia nubilalis), die so große Schäden anrichten können, dass ersterer auch als „billion dollar bug“ bekannt ist.

Platz 3: Reis (Oryza sativa), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 787 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 165 Millionen Hektar (Platz 3), seit 2022 wird auf den Philippinen gentechnisch veränderter Golden Rice angebaut

Ertrag: 4,8 Tonnen/Hektar

Reis wurde zum ersten mal vor mindestens 8000 Jahren in China angebaut und ist bis heute das wichtigste Getreide Asiens. Obwohl die Pflanze ursprünglich nicht in Wasser wuchs, wurde sie auf Toleranz für Überflutung gezüchtet und heute wird 80% des weltweiten Anbaus als Nassreis angebaut. Dabei unterdrückt das Wasser die meisten Unkräuter, muss aber langsam fließen, damit sich keine Algen bilden. Da der Reisanbau aufwändiger ist, als der Anbau anderer Getreide und mehr Zusammenarbeit in größeren Gruppen benötigt, gibt es die Theorie, dass er die Ursache für die gemeinschaftsorientierteren Gesellschaften in Reisanbaugebieten im Vergleich zu den individualistischer geprägten Gesellschaften mit Weizenanbau ist. Reis wird zu über 90% direkt für die menschliche Ernährung genutzt. Geschälter Reis lässt sich gut lagern, verliert dabei aber auch wichtige Inhaltsstoffe, insbesondere kann eine reisbasierte Ernährung zu Vitamin-A-Mangel führen, an dem geschätzte 250.000 bis 500.000 Kinder pro Jahr erblinden und etwa eine Million sterben. Eine mögliche Abhilfe hierfür könnte der gentechnisch hergestellte „Golden Rice“ bieten, der Provitamin A enthält. Die größten Anbauländer sind China und Indien. In den Philippinen ist das International Rice Research Institute (IRRI) angesiedelt, eines der wichtigsten Agrarforschungszentren der Welt, das neue Reissorten züchtet und auch den Anbau von Golden Rice fördert.

Platz 4: Weizen (Triticum aestivum und Triticum turgidum), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 771 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 221 Millionen Hektar (Platz 1)

Ertrag: 3,5 Tonnen/Hektar

Die ältesten kutlivierten Weizenarten sind seit mindestens 9000 Jahren im Nahen Osten Einkorn (Triticum monococcum) und Emmer (Triticum dicoccum), welcher aus einer Kreuzung einer wilden Weizenart mit einem Gras der Gattung Aegilops hervorgegangen ist. Heute werden vor allem der aus einer ähnlichen Kreuzung hervorgegangene Hartweizen (Triticum turgidum), sowie Dinkel und als wichtigste Art Weichweizen (beide Triticum aestivum) angebaut. Triticum aestivum geht dabei aus einer weiteren Kreuzung mit Ziegengras (Aegilops tauschii) hervor und hat daher statt des üblichen doppelten Gensatzes insgesamt ein sechsfaches (hexaploides) Genom. Sein Gesamtgenom ist damit fast fünfmal so groß wie das menschliche! Weizen zeichnet sich durch einen hohen Gehalt an Klebeiweissen (Gluten) aus, was ihn ideal zur Herstellung von Teig macht. Während Weichweizen und Dinkel für verschiedene Backwaren genutzt werden, erlaubt der proteinreichere Hartweizen elastischeren Teig, der für Pasta, Couscous und Bulgur genutzt wird. Weizen verträgt kühlere Temperaturen als Reis und Mais und Weichweizen wird meist als Winterweizen bereits im Herbst ausgesät. Er erbringt dann höhere Erträge, hat aber weniger Proteingehalt als im Frühjahr gesäter Sommerweizen oder Hartweizen. Da er sich gut lagern und transportieren lässt, ist Weizen seit der Antike auch wichtiger Wirtschaftsfaktor und Weizenlager dienten gelichzeitig der Sicherung der Macht der Herrschenden und als Vorsorge für Hungersnöte. Die kostenlose Verteilung von Weizen an Arme (cura annonae) war im alten Rom so etwas wie eine antike Form der Sozialhilfe. Weizen wird heute überwiegend für die menschliche Ernährung, aber auch zur Tiermast eingesetzt. Die Hauptanbauländer sind China, Indien, Russland und die USA.

Platz 5: Ölpalme (Elaeis guineensis), Familie Palmen (Arecaceae)

Erntemenge: 416 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 29 Millionen Hektar (Platz 14)

Ertrag: 14,4 Tonnen/Hektar

Die Ölpalme stammt ursprünglich aus Westafrika und wurde in der Zeit des Kolonialismus weltweit in den Tropen vor allem als Zierpflanze verbreitet. Seit dem frühen 20. Jahrhundert war die Aufarbeitung des Öls aus den Früchten im industriellen Umfang möglich und die ersten Plantagen wurden angelegt. Jede Pflanze kann bis zu 6000 Früchte tragen, die jeweils etwa 20 Gramm wiegen und zu etwa 50% aus Öl bestehen. Die Ölpalme ist damit die ertragreichste ölproduzierende Pflanze und hat sich seit den 1990er Jahren zur wichtigsten Ölpflanze der Welt entwickelt. Das Öl wird meist direkt für die Herstellung von Nahrungsmitteln verwendet, kann aber auch in der chemischen Industrie oder in Kosmetika genutzt werden. Da für neue Ölpalmenplantagen Regenwald in großem Umfang gerodet wird und zudem die nährstoffarmen Böden durch den hohen Dünger- und Pesitzideinsatz beim Anbau stark belastet werden, ist der expandierende Ölpalmenanbau seit einigen Jahren stark in die Kritik geraten. Dabei sind auch Versuche, den Anbau nachhaltiger zu gestalten auf Grund der großflächigen Monokulturen oft als wenig aussichtsreich bezeichnet worden. Für viele der Anbauländer ist die Palmölproduktion aber ein entscheidender Wirtschaftszweig geworden. Die wichtigsten Anbauländer sind Indonesien, Malaysia, Thailand, Nigeria und Kolumbien.

Platz 6: Kartoffel (Solanum tuberosum), Familie Nachtschattengewächse (Solanaceae)

Erntemenge: 376 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 18 Millionen Hektar (Platz 17), davon 2019 etwa 0,01% gentechnisch verändert

Ertrag: 20,7 Tonnen/Hektar

Die Kartoffel stammt ursprünglich aus dem Andenraum und wurde dort vor etwa 8000 Jahren domestiziert. In Peru gibt es bis heute über 3000 Kartoffelsorten, die an ganz verschiedene Boden- und Klimaverhältnisse der Anden angepasst sind. Nach Europa kam die Kartoffel im 16. Jahrhundert zuerst als Zierpflanze. Erst nach und nach setzte sie sich als Nutzpflanze durch, wurde dann aber von Europa aus weltweit verbreitet. Kartoffeln sind genügsam, leicht anzubauen und erbringen hohe Erträge. Sie enthalten neben Stärke zwar wenig, dafür für den Menschen sehr gut verwertbares Protein und viel Vitamin B6 und C und können gut gelagert und auf sehr vielfältige Art und Weise zubereitet werden. Sie sind damit gerade für die Selbstversorgung eine nahezu ideale Feldfrucht. Allerdings sind alle grünen Teile der Kartoffel – und in geringerem Maß auch die Schale – auf Grund des Alkaloids Solanin giftig. Falsch gelagerte oder bitter schmeckende Kartoffeln sollten daher nicht verzehrt werden. Ein wichtiger Schädling der Kartoffel ist der Eipilz Phytophtora infestans, der zwischen 1845 und 1849 große Teile der irischen Kartoffelernte vernichtet und so zu einer Hungersnot führte, auch da der ebenfalls angebaute Weizen zum Großteil als Pacht nach England ging. Weltweit werden heute etwa 60% der Kartoffeln direkt gegessen, 30% zur Stärkeherstellung verwendet, 4% zu Ethanolgewinnung, 6% als Saatgut und nur ein geringer Anteil als Tierfutter genutzt. Die wichtigsten Anbauländer sind China, Indien, die Ukraine, Russland und die USA, die größten Exporteure Frankreich, die Niederlande und Deutschland.

Platz 7: Sojabohne (Glycine max), Familie Hülsenfrüchtler (Fabaceae)

Erntemenge: 372 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 129 Millionen Hektar (Platz 4), davon 2019 etwa 74% gentechnisch verändert

Ertrag: 2,9 Tonnen/Hektar

Die Sojabohne wird seit mindestens 5000 Jahren in Japan und seit 3500 Jahren in China und Korea angebaut. Sojabohnen enthalten etwa 37% Eiweiß, das nahezu ideal für die menschliche Ernährung zusammengesetzt ist, weshalb Sojaprodukte wie Tofu auch als hochwertiger Fleischersatz genutzt werden. Daneben enthalten sie etwa 20% Öl, so dass sie nach der Ölpalme die zweitwichtigste Ölpflanze sind. Das Öl wird dabei für die menschliche Ernährung und in geringerem Umfang als Biodiesel genutzt. Die nach der Ölpressung übrig bleibenden Sojakuchen werden überwiegend zur Tiermast verwendet, so dass etwa 80% des weltweiten Sojaanbaus als Tierfutter dient. Soja dient auch der Herstellung von Sojasoße als Gewürzmittel. Den hohen Proteingehalt erreicht die Sojabohne dadurch, dass sie wie andere Hülsenfrüchtler auch Symbiosen mit Bakterien eingeht, die Stickstoff aus der Luft fixieren können, der dann in Protein eingebaut wird. Da der Sojaanbau insbesondere in Südamerika oft auf gerodeten Regenwaldflächen stattfindet, steht er in der Kritik zahlreicher Umweltschützer, als Proteinlieferant gilt Soja aber auch als eine der potentiell vielversprechendsten Alternativen zur Fleischwirtschaft. Die wichtigsten Anbauländer sind Brasilien, die USA und Argentinien.

Platz 8: Maniok/Cassava (Manhiot esculenta), Familie Wolfsmilchgewächse (Euphorbiaceae)

Erntemenge: 315 Millionen Tonnen (Knollen), 86.000 Tonnen (Blätter)

Anbaufläche: 30 Millionen Hektar (Platz 12)

Ertrag: 10,6 Tonnen/Hektar (Knollen), 11,1 Tonnen/Hektar (Blätter)

Maniok stammt ursprünglich aus Süd- oder Mittelamerika und wird seit mindestens 3000 Jahren in Mexiko als Nutzpflanze angebaut. Genutzt werden vor allem die stärkereichen, bis zu 10 kg schweren Knollen, in geringerem Umfang auch die Blätter als Gemüse. Die Knollen sind roh giftig, da sie ein cyanogenes Alkaloid enthalten, also eine Substanz, die Blausäure freisetzten kann. Dieses kann aber durch Schälen, Einweichen und Garen entfernt werden. Die Knollen können dann auf verschiedene Weise zubereitet oder zu Mehl verarbeitet werden, wobei auch Maniokstärke (Tapioka) gewonnen werden kann. Neben dem menschlichen Verzehr wird auch etwa 25% des Maniok als Futtermittel genutzt und in geringem Umfang Ethanol gewonnen. Maniok wurde in der Kolonialzeit in Afrika und Asien eingeführt, insbesondere um Sklaventransporte zu ernähren. Als Grundnahrungsmittel setzte es sich aber erst nach und nach durch, auch da die ersten selbständigen Anbauversuche immer wieder in Vergiftungen endeten. Heute ist Maniok ein wichtiges tropisches Nahrungsmittel, kann aber auf Grund seines geringen Gehalts an Protein, Eisen und Zink auch zu Mangelerscheinungen führen. Die wichtigsten Anbauländer sind Nigeria, die Demokratische Republik Kongo, Thailand, Ghana und Indonesien.

Platz 9: Zuckerrübe (Beta vulgaris), Familie Fuchsschwanzgewächse (Amaranthaceae)

Erntemenge: 270 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 4 Millionen Hektar (Platz 44), davon 2019 etwa 12% gentechnisch verändert

Ertrag: 61,4 Tonnen/Hektar

Die Zuckerrübe ist eine Nutzpflanze, die von der Wilden Rübe abstammt, welche an Küsten von Westeuropa bis Indien wächst und auch die Stammform von Mangold, Roter Beete und der Futter- oder Runkelrübe ist. Die Zuckerrübe wurde Mitte des 18. Jahrhundert in Schlesien aus der Futterrübe gezüchtet und setzte sich in Europa im frühen 19. Jahrhundert durch als durch die Kontinentalsperre Napoleon importierter Rohrzucker immer teurer wurde. Mit bis zu 20% Zuckergehalt in der Rübe ist die Zuckerrübe die wichtigste Zuckerpflanze der gemäßigten Breiten und liefert derzeit etwa ein Viertel des weltweit produzierten Zuckers. Sie wächst als zweijährige Pflanze, die im ersten Jahr eine Rübe anlegt und diese im zweiten Jahr für die Blüte aufbraucht, weshalb sie im ersten Herbst geerntet wird. Neben dem aus ihr gewonnenen Zucker fallen Melasse und Rübenschnitzel an, die als Tierfutter oder zur Ethanolherstellung verwendet werden können. Die wichtigsten Anbauländer sind Russland, die USA, Deutschland, Frankreich und die Türkei.

Platz 10: Tomate (Solanum lycopersicon), Familie Nachtschattengewächse (Solanaceae)

Erntemenge: 189 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 5 Millionen Hektar (Platz 41)

Ertrag: 36,6 Tonnen/Hektar

Die Tomate stammt aus Mittel- oder Südamerika, wobei ihr genauer Ursprung unbekannt ist. Sie gehört zur selben Familie wie die Kartoffel, den Nachtschattengewächsen, die zwar oft wegen ihres Alkaloidgehalts giftig sind, aber auch eine Reihe wichtiger Nutzpflanzen enthalten, so auch Paprika, Chilis, die Aubergine, die Blasenkirsche (Physalis) und einige tropische Früchte. Des weiteren gehört auch der Tabak dazu. Wie die Kartoffel wurde die Tomate in Europa zuerst als Zierpflanze eingeführt und wie bei der Kartoffel sind die grünen Teile der Tomate giftig, allerdings eher leicht und manche Sorten sind auch im reifen Zustand grün. Tomaten werden heute vielfältig verwendet, entweder direkt als Frucht oder zur Herstellung von Ketchup oder Soßen. 1994 kam mit der Flavr-Savr-Tomate („Anti-Matsch-Tomate“) die erste gentechnisch veränderte Pflanze auf den Markt, die nach der Ernte länger haltbar war, konnte sich aber nicht durchsetzen, da sie zum einen auf Skepsis stieß, zum anderen auch jenseits der Haltbarkeit keine besonders hochwertige Sorte war. Der Misserfolg und der wenig überzeugende Geschmack der Flavr-Savr-Tomate sind bis heute ein Grund für Ablehnung gentechnisch veränderter Pflanzen. Die größten Tomatenproduzenten sind China, Indien, die Türkei und die USA.

Platz 11: Gerste (Hordeum vulgare), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 145 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 49 Millionen Hektar (Platz 5)

Ertrag: 3,0 Tonnen/Hektar

Gerste stammt aus dem Nahen Osten und dem Balkan und wurde schon vor 15000 Jahren genutzt. Gerstenbrei war wohl eines der ersten wichtigen landwirtschaftlichen Produkte, ob er aber zuerst zu Teig gebacken oder zu Bier vergoren wurde und was davon das älteste biotechnologische Verfahren war, ist umstritten. Neben dem Wert für die Ernährung wurden der Gerste auch Heilwirkungen zugesprochen. Die Gladiatoren im alten Rom ernährten sich überwiegend von Gerste und Bohnen und wurden auch als hordearii (Gerstenfresser) bezeichnet. Angeblich sollte diese Ernährung auch helfen, schwere Blutungen zu verhindern, eine Wiener Forschungsgruppe hat dazu die Hypothese aufgestellt, dass dies an einem dichteren Unterhautfettgewebe liegen könne. Heute wird Gerste als relativ proteinarmes Sommergetriede vor allem für die Bierproduktion, als proteinreicheres Wintergetreide als Tierfutter angebaut. Die größten Produzenten sind Russland, Spanien, Deutschland, Kanada und Australien.

Platz 12: Banane (Musa x paradisica), Familie Bananengewächse (Musaceae)

Erntemenge: 124 Millionen Tonnen Dessert-, 45 Millionen Tonnen Kochbananen

Anbaufläche: 5 Millionen Hektar Dessert- (Platz 39), 7 Millionen Hektar Kochbananen (Platz 30)

Ertrag: 23,4 Tonnen/Hektar Dessertbananen, 6,7 Tonnen/Hektar Kochbananen

Die Banane stammt ursprünglich aus Südostasien und ist seit etwa 2500 Jahren aus buddhistischen Schriften bekannt. Sie kam wahrscheinlich über Madagaskar nach Afrika und wurde in der Kolonialzeit nach Amerika gebracht. Heute wird sie in vielen tropischen Ländern angebaut, wobei die süßen Dessertbananen überwiegend als Obst exportiert werden und die stärkereichen Kochbananen dem Eigenbedarf dienen. Bis in die 1960er Jahre war die wichtigste Sorte der Desserbanane für den Export Gros Michel, die allerdings empfindlich gegen den Pilz Fusarium oxysporum ist, was ihren Anbau zusammenbrechen ließ und dazu führte, dass heute überwiegend die Sorte Cavendish angebaut wird. Seit den 1990er Jahren tritt allerdings eine Fusarium-Variante auf, die auch Cavendish befällt und so den weltweiten Bananenanbau bedroht. Da die meisten angebauten Bananen steril sind, ist eine Züchtung auf Resistenzen gegen den Pilz sehr schwer, weshalb auch an gentechnisch veränderten Bananen geforscht wird. Die größten Desertbananenproduzenten sind Indien, China und Indonesien, für die Kochbanane sind es Ghana, die Demokratische Republik Kongo und Kamerun.

Platz 13: Zwiebeln (Allium cepa), Familie Amaryllisgewächse (Amaryllidaceae)

Erntemenge: 107 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 0,2 Millionen Hektar (Platz 126)

Ertrag: 21,1 Tonnen/Hektar

Die Küchenzwiebel ist eine seit mindestens 5000 Jahren genutzte Gewürz-, Gemüse- und Heilpflanze, deren genauer Ursprung unbekannt ist, aber wahrscheinlich im Nahen Osten liegt. Zwiebeln enthalten verschiedene schwefelhaltige Inhaltsstoffe, die ihren Geschmack ausmachen und beim Aufschneiden zu den bekannten brennenden Augen führen. Eine weitere Besonderheit sind die Fruktane als Speicherkohlenhydrate, die vom Menschen nicht direkt verdaut, aber von unserer Darmflora verstoffwechselt werden können, was dann zu Blähungen führt. Der Name „Zwiebel“ steht sowohl für die Art Allium cepa, als auch für das aus mehreren eng aneinandeliegenden Speicherblättern bestehende Speicherorgan, das viele einkeimblättrige Pflanzen bilden. Die der Küchenzwiebel und die des nah verwandten Knoblauchs gehören dabei zu den wenigen Zwiebeln, die für Menschen nicht giftig sind, für viele Haustiere ist die Küchenzwiebel allerdings gefährlich! Die mit Abstand größten Zwiebelproduzenten heute sind Indien und China.

Platz 14: Wassermelone (Citrullus lanatus), Familie Kürbisgewächse (Cucurbitaceae)

Erntemenge: 102 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 3 Millionen Hektar (Platz 52)

Ertrag: 33,5 Tonnen/Hektar

Die Wassermelone stammt ursprünglich aus Westafrika und wird seit mindestens 4000 Jahren angebaut. Es gibt zahlreiche Sorten, darunter die bei uns bekannten süßen und rotfleischigen Dessertwassermelonen, die ursprünglicheren weißfleischigen Sorten, die erst nach Verarbeitung genißebar sind sowie Sorten, die wegen ihrer eiweß- und fettreichen Samen angebaut werden. Neben der direkten Nutzung durch den Menschen sind Wassermelonen bzw. die Reste auch ein wichtiges Tierfutter. In der gleichen Familie der Kürbisgewächse finden sich auch andere Nutzpflanzen mit großen, oft sehr wasserrreiche Früchten wie andere Melonenarten, Gurken und Kürbisse, die als Obst, Gemüse oder Tierfutter verwendet werden. Mehr als die Hälfte der Welternte stammt aus China, wo vor allem Sorten mit großen Samen angebaut werden, danach folgen mit großem Abstand die Türkei, Indien, Iran, Algerien und Brasilien. Eine gewisse Berühmtheit haben die Wassermelonen aus der ukrainischen Region Kherson erlangt, die als Symbol für die Rückeroberung nach der russischen Invasion 2022 gefeiert wurden.

Platz 20: Baumwolle (Gattung Gossypium), Familie Malvengewäche (Malvaceae)

Erntemenge: 74 Millionen Tonnen (Gewicht mit Samen)

Anbaufläche: 33 Millionen Hektar (Platz 9), davon 2019 etwa 79% gentechnisch verändert

Ertrag: 2,2 Tonnen/Hektar

Baumwolle ist unsere erste für den Menschen nicht genießbare Nutzpflanze, da ihre Samen das giftige Gossypol enthalten, das raffinierte Öl der Samen kann allerdings als Speiseöl verwendet werden, der Rest der augepressten Samen eignet sich als Tierfutter für Wiederkäuer. Der Grund für den Baumwollanbau sind allerdings die langen Samenhaare, die der Pflanze ursprünglich zur leichteren Verbreitung der Samen, ähnlich wie das Schirmchen unseres Löwenzahns dienten. Aus Baumwollfasern werden leichte, nicht-kratzende Textilien gefertigt. Im Anbau sind heute vier Baumwollarten verbreitet, von denen zwei ursprünglich aus Amerika und zwei aus Afrika und Asien stammen. Baumwollen wurden wahrscheinlich mehrmals unabhängig voneinander domestiziert, die ältesten Funde stammen aus Indien von vor 8000 Jahren und Peru von vor 6000 Jahren. Da Baumwolle ist heute ein bedeutender nachwachsender Rohstoff, ihr Anbau hat aber einen hohen Wasserverbrauch und wird meist in Monokulturen gezogen. Ein weitere dunkler Fleck auf der Geschichte der Baumwolle ist der massive Einsatz von Sklavenarbeit in den US-amerikanischen Südstaaten vor dem Bürgerkrieg. Die größten Baumwollproduzenten heute sind China, Indien und die USA.

Platz 23: Raps und Ölrübsen (Brassica napus und rapa), Familie Kreuzblütler (Brassicaceae)

Erntemenge: 71 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 37 Millionen Hektar (Platz 8), davon 2019 etwa 27% gentechnisch verändert

Ertrag: 1,9 Tonnen/Hektar

Raps und Rübsen sind zwei Pflanzen aus der Familie der Kreuzblütler, zu der auch Radieschen, Rettich, Meerrettisch, Senf und Kohl gehören – wobei Kohl mit seinen vielfältigen Zuchformen beeindruckt, darunter Grünkohl, Weißkohl, Rotkohl, Kohlrabi, Brokkoli, Blumenkohl und Rosenkohl. Mit 72 Millionen Tonnen Ernte (Platz 22) und 2,4 Millionen Hektar Anbaufläche (Platz 58) ist Kohl in seinen vielen Varianten eines der wichtigsten Gemüse. Gemeinsam sind den Kreuzblütlern die Senfölglykoside (Glukosinolate), eine vielfältige Stoffklasse, die wir schon bei den Pfanzengiften kennen gelernt haben und die für den charakteristischen, teilweise scharfen Geschmack verantwortlich ist. Auch vom Raps gibt es mit der Steckrübe eine als Gemüse genutze Form, vom Rübsen stammen Pak-Choy, Chinakohl und Weiße Rübe ab. Die größte Rolle spielen Raps und Ölrübsen aber als Öllieferanten, wobei Raps die wichtigste Ölpflanze gemäßigter bis kalter Klimate ist. Der nach der Ölpressung übrig bleibende Rapskuchen wird als Tierfutter verwendet. Bekannt sind die während der Blüte leuchtend-gelben weiten Rapsfelder, die für Bienen so attraktiv sein können, dass andere nahe stehende Pflanzen kaum mehr bestäubt werden. Die wichtigsten Rapsanbauländer sind Kanada, China und Indien.

Platz 25: Sorghumhirse (Gattung Sorghum), Familie Süßgräser (Poaceae)

Erntemenge: 61 Millionen Tonnen, dazu 30 Millionen Tonnen andere „Hirsen“

Anbaufläche: 41 Millionen Hektar (Platz 6), dazu 30 Millionen Hektar andere „Hirsen“

Ertrag: 1,5 Tonnen/Hektar, bei anderen Hirsen etwa 1 Tonne/Hektar

„Hirse“ ist ein Sammelbegriff für meist tropische Getreide mit kleinen Körnern. Die Rispenhirse (Panicum miliaceum) wird seit mindestens 8000 Jahren genutzt und war früher auch in Europa von Bedeutung, wird heute aber fast nur noch in Asien angebaut. Sorghumhirse wird seit mindestens 10000 Jahren in Afrika gesammelt und seit mindestens 5500 Jahren kultiviert. Sorghum ist auch heute ein wichtiges Getreide in Afrika und Teilen Asiens und wird zur Herstellung von Brei, Bier und Fladenbrot und als Tierfutter verwendet. Besonders zuckerreiche Hirsesorten (Zuckerhirse) werden auch zur Sirupherstellung verwendet und haben in den USA auch eine zunehmende Bedeutung als Energiepflanzen, besonders zur Ethanolherstellung. Die Hauptanbauländer von Sorghumhirse sind die USA, Nigeria, Äthiopien, Indien und Mexiko. Da die Hirsen auch bei heissem, trockenen Klima mit relativ geringem Aufwand angebaut werden können und so auch gegen die Folgen des Klimawandels recht resistent sind, haben sie eine große Bedeutung für die Versorgung vor allem ärmerer Menschen in den Tropen und 2023 wurde von der FAO das Jahr der Hirse ausgerufen.

Platz 26: Bohnen (Gattungen Vicia, Vigna, Phasaeolus und andere), Familie Hülsenfrüchtler (Fabaceae)

Erntemenge: 33 Millionen Tonnen Samen, 26 Millionen Tonnen grüne Bohnen

Anbaufläche: 41 Millionen Hektar (Platz 7)

Ertrag: 0,8 – 2,2 Tonnen/Hektar (Samen), 6,2 – 14,8 Tonnen/Hektar (grün)

Bohnen sind die Früchte verschiedener Arten der Hülsenfrüchtler, die in allen Weltregionen als Nutzpflanzen verwenet werden. Dabei werden meist die Samen gegessen, bei eingen Arten aber auch die gesamten Hülsen. Viele Bohnen sind roh giftig, da sie zuckerbindenden Proteine (Lektine) enthalten, die unter anderem die Verdauung stören und erst beim Erhitzen denaturiert und damit unschädlich werden. Außerdem enthalten viele Bohnenarten ungewöhnliche Speicherzucker wie Stachyose oder Raffinose, die Menschen nicht direkt abbauen können. Diese wirken dann teilweise fördernd für unsere Darmflora, was aber auch zu unerwünschter Gasentwicklung führen kann. Bohnen, aber auch andere Hülsenfrüchtler wie Erbsen und Linsen sind wichtige Proteinlieferanten wie schon bei der Sojabohne beschrieben, allerdings ist ihre Proteinzusammensetzung meist für den Menschen nicht ideal. Hülsenfrüchtler und Getreide ergänzen sich allerdings oft hervorragend und decken zusammen den menschlichen Proteinbedarf gut ab, weshalb in vielen Kulturen Kombinationen aus Getreide und Bohne eine Basis der Ernährung waren und sind. Auf Grund der Vielfalt der genutzten Bohnenarten spare ich mir eine weitere Aufschlüsselung nach Anbaugebieten.

Platz 30: Erdnuss (Archais hypogaea) und Verwandte, Familie Hülsenfrüchtler (Fabaceae)

Erntemenge: 54 Millionen Tonnen

Anbaufläche: 33 Millionen Hektar (Platz 10)

Ertrag: 1,6 Tonnen/Hektar

Die Erdnuss stammt ursprünglich aus den Anden und wird in Peru seit mindestens 8000 Jahren genutzt. Auch sie gehört zu den Hülsenfrüchtlern, enthält aber im Gegensatz zu vielen anderen Arten wenig Stärke und dafür viel Fett. Erdnüsse werden in den Anbauländern direkt in verschiedenen Gerichten gekocht, für den Export aber geröstet, um sie haltbar zu machen. Des weiteren wird aus ihnen Erdnussöl und Tierfutter gewonnen. In den USA hat besonders George Washington Carver die Erdnuss gefördert, der selbst als Sklave geboren worden war und nach dem Bürgerkrieg den Anbau von Erdnüssen und anderen Pflanzen zur Bekämpfung der verbreiteten Mangelernährung und der Monokulturen in den Südstaaten einsetzte. Er soll etwa 300 Anwendungen für Erdnüsse, darunter die Erdnussbutter, erfunden haben! Carver war 1921 der erste Schwarze, der als Experte vor dem Kongress angehört wurde. Erdnussprodukte spielen heute noch eine große Rolle bei der Bekämpfung von akuter Unterernährung, ein Produkt ist die Paste Plumpy'nut der Firma Nutriset. Die größten Erdnussproduzenten sind China, Indien, Nigeria, die USA und Sudan

Und das waren einige der wichtigsten Nutzpflanzen unserer Erde. Natürlich gibt es zahlreiche weitere, die FAO-Liste enthält 161 Einträge, wobei manche für mehrere Arten stehen. Angesichts von über 300.000 Blütenpflanzenarten nutzen wir für die menschliche Ernährung aber nur einen relativ kleinen Anteil. Der Großteil verteilt sich dabei auf wenige Pflanzenfamilien, von denen wir die meisten schon kennengelernt haben: Die Süßgräser (Poaceae) mit den Getreiden und Zuckerrohr, aber auch Bambus und den Weidegräsern, die Hülsenfrüchtler (Fabaceae) mit Bohnen, Erbsen und Linsen, die Nachtschattengewächse (Solanaceae) mit Kartoffel, Tomate und Paprika und die Kreuzblütler (Brassicaceae) mit vielen Gemüsen. Vier Pflanzenfamilien sind aber noch erwähnenswert, die bei der rein quantitativen Ernte- und Anbaumengen zu kurz kommen:

Da sind zum einen die Rosengewächse (Rosaceae), zu denen unzählige Obstsorten der gemäßigten Breiten gehören: Äpfel, Birnen, Kirschen, Pfirsiche, Pflaumen, Erd- und Himbeeren. „Obst“ ist dabei übrigens kein botanischer Begriff, sondern im Deutschen ein rein kulinarischer für meist süße Früchte, die oft roh gegessen werden. Deshalb sind auch vermeintlich kluge Sprüche wie „Gurken sind ein Obst!“ falsch. Im Englischen wird dagegen „fruit“ sowohl für den botanischen Begriff „Frucht“, als auch für „Obst“ verwendet. Mit 93 Millionen Tonnen sind Äpfel Platz 16 bei den Erntemengen!

Die Familie der Rautengewächse (Rutaceae) enthält viele Pflanzen, die wegen ihrer ätherischen Öle genutzt werden, vor allem aber die Gattung Citrus, die eine verwirrende Vielfalt von Obstsorten enthält, von Orangen über Zitronen, Mandarinen zu Grapefruits. Mit 76 Millionen Tonnen erreichen Orangen dabei Platz 18.

Zwei weitere Pflanzenfamilien erreichen keine riesigen Erntemengen, enthalten aber viele wichtige Gewürzpflanzen. Eine davon sind die Doldenblütler (Apiaceae) mit Karotte, Dill, Kümmel, Anis, Fenchel, Sellerie und Petersilie, wobei Karotten als Gemüse mit 42 Millionen Tonnen Erntemenge (aber in der FAO-Liste inklusive Speiserüben) eine Ausnahme darstellen. Die andere Familie sind die Lippenblütler (Lamiaceae) mit Basilikum, Minzen und Salbei.

Aber bevor ich jetzt versuche, hier über 100 Pflanzenarten zu beschreiben, die alle auf ihre Weise wichtig und spannend sind, wollen wir mal einen Blick darauf werfen, wie wir eigentlich zu unseren ganzen Nutzpflanzen gekommen sind. Wenn Du mehr und ausführlichere Porträts von Nutzpflanzen suchst, auch Arznei- und Giftpflanzen, Rohstoff- und Drogenlieferanten, die ich nur in anderen Kapiteln gestreift habe, kann ich Dir aber wärmstens das Buch „Zwiebel, Safran, Fingerhut: 50 Pflanzen, die unsere Welt verändert haben (Fifty Plants That Changed the Course of History)“ von Bill Laws empfehlen!

1Die Erntemengen beziehen sich dabei auf die gesamte geerntete Menge, nicht auf den davon nutzbaren Teil oder den Nährwert. Dadurch erreichen z.B. Zuckerpflanzen oder Melonen mit hohem Wasseranteil im Vergleich zu ihrer Bedeutung für die Ernährung höhere Werte und Erträge als Getreide oder Bohnensamen

2Die Anteile gentechnisch veränderter Pflanzen stammen von transgen.de

Der Grüne Planet: Kapitel 15 – Was hat ET in seinem Blumentopf?

Nach was würdest Du suchen, wenn Du wissen wolltest, ob es auf einem fremden Planeten komplexes Leben gibt? Photosynthese wäre ein guter Anfang, denn kein biochemischer Prozess hat unseren eigenen Planeten so geformt, wie sie. Aber woran erkennt man aus dem All, ob auf einem Planeten Photosynthese stattfindet? Und muss Photosynthese eigentlich auf anderen Welten so aussehen wie bei uns? Würden wir überhaupt nach den richtigen Zeichen suchen? Schauen wir uns das doch einmal ein bisschen an!

Aus der größten Distanz wäre wohl die Veränderung der Atmosphäre zu erkennen. Wenn nämlich das Licht eines Sterns durch die Atmosphäre eines Planeten fällt, verändert es sich abhängig von der Zusammensetzung dieser Atmosphäre – und das könnte man selbst dann messen, wenn man noch keine Details der Welt sonst erkennen kann. Unsere irdische Photosynthese hat aus einer usrprünglich wohl aus Kohlendioxid und Stickstoff bestehenden Atmosphäre eine aus Sauerstoff und Stickstoff gemacht. Das hatte dramatische Konsequenzen! Nicht nur war Sauerstoff für viele frühe Lebewesen giftig, da er so reaktiv ist und hat damit das wohl größte Massenaussterben der Erdgeschichte ausgelöst – die gleiche Reaktivität macht ihn aber auch zu einem idealen Teil des Stoffwechsels komplexer Lebewesen – Pflanzen, Tiere, Pilze und Mikroorganismen. Sauerstoff war also wahrscheinlich auch Beschleuniger und Ermöglicher der Entwicklung komplexen Lebens.

Daneben hat Sauerstoff noch eine andere wichtige Rolle gespielt: In der oberen Atmosphäre bildet er eine Ozonschicht, die schädliches UV-Licht abfängt und so Lebewesen vor Schäden und zu vielen Mutationen schützt. Er war daher wohl auch entscheidend dafür, dass das Leben das schützende Wasser verlassen und an Land gehen konnte.

Auch das Entfernen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre war eine Revolution. Zum einen holten Pflanzen damit gewaltige Mengen an Kohlenstoff aus der Luft und haben sie für Lebewesen verfügbar gemacht – die auf unserer Welt vorhandene und mögliche Biomasse wurde also mit der Photosynthese um ein Vielfaches größer! Gleichzeitig sank mit der Abnahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre auch der Treibhauseffekt und das sorgt dafür, dass wir heute angenehme Temperaturen für das Leben haben und keinen brütenden Höllenofen wie auf unserem Schwesterplaneten Venus.

Noch auf ein weiteres Gas haben Pflanzen aber einen gewaltigen Einfluss: Wasserdampf! Dieser gelangt dank der pflanzlichen Transpiration überall dort in die Luft, wo Vegetation wächst, sonst würde er überwiegend über Wasserflächen verdunsten. Das verschiebt den gesamten Wasserkreislauf der Erde, beeinflusst die Entstehung von Wolken und letztendlich Niederschläge, Flüsse und so weiter.

Unerwartet viel Sauerstoff, eine Ozonschicht, wenig Kohlendioxid und ein unerwarteter Wasserkreislauf wären also die Merkmale, die wir bei einer Atmosphäre erwarten würden, wenn auf einem Planeten Photosynthese wie auf unserer Erde stattfindet. Aber schauen wir die einzelnen Komponenten einmal genauer an, könnten sie nicht auch anders aussehen?

Zuerst der Sauerstoff: Bei unserer Photosynthese stammt er aus Wasser und liefert Elektronen, die deshalb so geeignet sind, weil sie genug Energie tragen, um verschiedene biochemische Reaktionen anzutreiben. Und das sind auch schon die Eigenschaften, die die sauerstoffbildenede Photosynthese fast alternativlos als Antrieb einer komplexen Biosphäre macht. Wasser ist eine der häufigsten Verbindungen im Universum und als hervorragendes Lösungsmittel wahrscheinlich für zumindest das meiste vorstellbare Leben unverzichtbar.

Es gibt zwar auf der Erde auch andere Arten der Photosynthese in Bakterien, die andere Substanzen nutzen, um Elektronen zu gewinnen, diese sind aber weniger effektiv, da diese Substanzen meist in viel geringerer Menge verfügbar sind und weniger Energie liefern. Eine Welt, die nur solche Photosynthese kennt, hätte daher wahrscheinlich viel weniger Leben, das weniger komplex wäre und die Atmosphäre auch weniger beeinflussen würde. Vergleichbar energiereiche Elektronen wie aus Sauerstoff könnten außerirdische Pflanzen höchstens noch aus Stickstoff, Fluor oder Chlor gewinnen. Stickstoff ist dabei zwar ein häufiges Element, aber so wenig reaktiv, dass er sich kaum Ausgangssubstanzen bildet, aus denen man ihn zurückgewinnen könnte. Fluor und Chlor dagegen wären als Produkte einer Photosynthese so reaktiv, dass sie als Produkt für die meisten Biomoleküle einer Zelle eine Gefahr darstellen würden. Wir kommen also zu dem Schluss, dass Sauerstoff wohl unser bester Kandidat ist, zumindest Planeten mit einer komplexen Biosphäre zu finden.

Kommen wir zum Kohlendioxid: Auch das ist eine häufige Verbindung und der aus ihm gewonnen Kohlenstoff bildet das Grundgerüst aller Biomoleküle unseres Planeten. Jedes Kohlenstoffatom kann vier Bindungen eingehen und Kohlenstoff kann lange Ketten, Ringe und andere komplexe Strukturen bilden. Das alles macht ihn zur idealen Grundlage von Biochemie. Aber ginge es auch anders?

Grundsätzlich kann Silizium ähnliche Verbindungen eingehen wie Kohlenstoff, allerdings sind hierbei die langen Ketten viel weniger stabil. Auf Silizium basierendes Leben müsste daher bei viel niedrigeren Temperaturen leben und ein noch größeres Problem ist, dass Siliziumdioxid kein Gas ist, sondern... Sand! Leben, das Silizium nutzen will, hätte es also sehr schwer, denn seine Grundlage liesse sich nicht in Wasser lösen und wäre dadurch nur schwer in größeren Mengen zugänglich.

Stickstoff wäre eine andere mögliche Alternative, denn er kann immerhin drei Bindungen eingehen, aber am liebsten geht ein Stickstoffatom alle drei Bindungen mit einem anderen ein und dann sind sie schwer zu trennen. Leben müsste also relativ viel Energie in das Aufbrechen dieser Bindungen stecken – und das wäre für primitives Leben eine große Herausforderung – oder es müsste mit den Stickstoffverbindungen klarkommen, die durch Blitze und Vulkanausbrüche entstehen. Aber auch dann hätte es ein schlechters Grundgerüst zu einem höheren Preis. Insgesamt wäre Leben auf einer anderen Basis als Kohlenstoff zwar denkbar, aber würde wohl wieder eher klein und einfach bleiben und hätte dadurch auch wenig Einfluss auf seine Atmosphäre.

Last but not least schauen wir aufs Wasser: Wasser ist wie gesagt im Universum häufig und ein hervorragendes Lösungsmittel. Lebewesen die ohne Wasser auskommen wären daher wahrscheinlich wieder stark im Nachteil. Aber muss komplexes Leben auch den Wasserkreislauf seines Planeten so stark beeinflussen wie auf unserer Welt? Offensichtlich nicht, denn solange das Leben nur im Wasser und nicht an Land vorkommt, beruht sein Einfluss auf den Wasserkreislauf nur auf der Veränderung der Atmosphärentemperatur, nicht aber auf einer Veränderung der Verdunstungsmuster. Die Temperaturen sind aber auch dann möglicherweise ein wichtiger Faktor, denn sie beeinflussen ja auch, wieviel Wasser auf einer Welt gefroren vorliegt! Tatsächlich hat die Photosynthese in der Geschichte unserer Erde mehrmals so viel Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt, dass dies zu großen Vereisungen geführt hat. Hierdurch kam es wohl zu Zeiten des nur einzelligen Lebens mehrmals zu einer „Schneeball-Erde“, die zu großen Teilen eisbedeckt war und auch im Karbon, als die ersten Wälder entstanden zu einer ausgeprägten Eiszeit.

Sauerstoff, wenig Kohlendioxid und ein ungewöhnlicher Wasserkreislauf mit unerwartet ausgeprägten Vereisungen könnten also gute Hinweise auf eine Welt mit aktiver Photosynthese sein – einige mögliche Arten des Lebens würden wir aber wohl übersehen, wenn wir nur nach diesen Zeichen suchen. Und auch wenn Leben auf einer Welt mit sauerstoffbildenden Atmosphäre wohl die besten Chancen hätte, vielfältig und komplex zu werden, wissen wir bisher einfach zu wenig, um beurteilen zu können, ob es auch die häufigste oder überhaupt eine häufige Art des Lebens im Universum ist. Möglicherweise haben die meisten belebten Planeten nur einfache Lebewesen mit einfacherer Photosynthese oder solche, die nur geochemische Prozesse zur Energiegewinnung nutzen.

Kommen wir unserer Erde näher, dann können wir noch mehr Anzeichen für Photosynthese erkennen: Große Teile unserer Erdoberfläche sind mehr oder weniger grün durch Landpflanzen oder Algen! Der grüne Farbstoff ist Chlorophyll, das Molekül, mit dem Pflanzen Licht einfangen und weil es besonders gut rotes und blaues Licht aufnimmt, aber grünes reflektiert, erscheint unsere Vegetation in dieser Farbe. Wäre das bei unserem fremden Planeten auch so?

Hier könnte eine andere Welt tatsächlich auch ganz anders aussehen! Schon auf der Erde gibt es eine ganze Reihe anderer Pigmente, die Lichtenergie aufnehmen können, viele davon nutzen verschiedene Pflanzen, um mehr Licht aufzufangen, als Chlorophyll das allein könnte. Verschiedene Algengruppen haben daher oft ganz unterschiedliche Farben, da sie daran angepasst sind, das Licht aufzufangen, das in verschiedene Wassertiefen vordringt – und vorher nicht von anderen Algen absorbiert wurde! Es gibt schon bei uns rote, grüne, braune, blaugrüne und goldgelbe Algen und im Prinzip hätten all diese zur Basis unserer Landpflanzen werden können.

Auf einem fremden Planeten wären die Blattfarbstoffe wahrscheinlich an die Farbe des Lichts der dazugehörigen Sonne angepasst und entsprechend ins bläuliche oder rötliche verschoben – zumindest in einem gewissen Rahmen. Aber müssten fremde Pflanzen überhaupt unser sichtbares Licht auffangen? Es gibt ja auch längere, für uns nicht sichtbare Wellenlängen wie Infrarotstrahlung, Mikro- und Radiowellen und kürzere Wellenlängen wie UV, Röntgen- und Gammastrahlen. Könnten ausserirdische Pflanzen also auch ganz andere „Antennen“ haben?

Grundsätzlich kann zwar jede Strahlung Energie übertragen, aber auf molekularer Ebene trifft immer ein Strahlungspartikel auf ein Molekül und muss dann die richtige Energie mitbringen. Längere Wellenlängen haben dabei weniger Energie, weshalb sich Infrarotstrahlung oder Mikrowellen zwar eignen, Moleküle zum Schwingen zu bringen und damit zu erwärmen, aber meist nicht ausreichen, Elektronen zu bewegen und so chemische Reaktionen anzuregen. Eine Photosynthese die auf langwelliger Strahlung basiert, wäre also wohl wieder eher ein mageres Zubrot für Mikroorganismen, aber keine geeignete Grundlage für ein komplexes Ökosystem.

Kürzere Wellenlängen wie UV oder Gammastrahlen dagegen, bringen so viel Energie mit, dass sie nicht nur bestimmte Moleküle anregen, sondern wahllos Elektronen aus Molekülen schlagen – und auch das eignet sich nicht, um sinnvolle Biochemie anzutreiben. Wobei...

Es gibt nämlich tatsächlich ein paar Pilze, die harte ionisierende Strahlung verwerten können, sogenannte radiotrophe Pilze. Diese nutzen den Farbstoff Melanin, der vielen Lebewesen als Strahlenschutz dient und auch für die Bräune unserer Haut zuständig ist. Allerdings ist dies ein umgewandelter Schutzmechanismus und gibt den Pilzen nur ein bisschen zusätzliche Energie zu ihrer normalen Ernährung. Auch ist schwer vorstellbar, wie Lebewesen eine solche Energiegewinnung evolvieren sollten, ohne vorher schon einen Stoffwechsel zu haben, der komplex genug ist, die unvermeidlichen Strahlenschäden effektiv zu reparieren. Eine Photosynthese, die auf harter Strahlung basiert erscheint damit eher als ein nettes Zubrot für Lebwesen auf einem sonst lebensfeindlichen Planeten und wäre wohl wieder keine gute Besis für ein komplexes Ökosystem.

Aber auch wenn außerirdische Pflanzen wohl auch sichtbares Licht als Energiequelle nutzen, könnten sie farblich ganz anders aussehen, als wir das gewohnt sind. Wir haben ja schon im letzten Kapitel gehört, wie sich Pflanzen an zu viel oder zu wenig Licht anpassen können. Und auf einer Welt, die viel heller oder dunkler als unsere ist – oder auf der die Photosynthese mehr oder weniger effektiv ist als bei uns – könnte gar nicht die Wellenlänge des genutzten Lichts, sondern die aufgenommene Gesamtlichtmenge über die Farbe der Pflanzen entscheiden. Pflanzen auf einer heissen, lichtdurchfluteten Welt könnten grau, weißlich oder sogar silbrig erscheinen, um überschüssiges Licht zu reflektieren. Auf einer kalten dunklen Welt könnten Pflanzen dunkelblau, braun oder schwarz sein, um möglichst viel Licht, aber auch Wärmestrahlung aufzufangen!

Kommen wir unserer fremden Welt noch näher, dann könnten wir endlich die außerirdischen Pflanzen in all ihren seltsamen Farben sehen. Wie sie genau aussehen? Das lässt sich kaum sagen. Schon auf unserer Welt finden wir ja eine verwirrende Vielfalt an Formen. Einige Prinzipien werden wir sicher wiederfinden: Flächige Strukturen wie Blätter, um Licht einzufängen, Wurzeln, die Pflanzen im Boden verankern und wahrscheinlich auch Stämme, die die Blätter über die Konkurrenz erheben – wenn die fremden Pflanzen Strukturen evolviert haben, die genug Festigkeit bieten, um sich über den Boden zu erheben!

Viele Anpassungen an extremere Lebensräume könnten natürlich auf fremden Planeten häufiger oder seltener sein als bei uns: Bei hoher Schwerkraft oder starken Winden blieben Pflanzen wohl kleiner, bei niedriger Schwerkraft wären sie vielleicht größer. Auf einer trockenen, lichtdurchfluteten Welt könnten die meisten Pflanzen wie graue runde Steine aussehen, um sich vor Verdunstung zu schützen.

Aber vielleicht wären die vorherrschenden Pflanzen auf dem festen Land eines fremden Planeten auch ganz anders aufgebaut als bei uns! Hätten sich zum Beispiel Flechten als Landbesiedler durchgesetzt, zum Beispiel weil eine Welt für ungeschützte Algen zu lebensfeindlich wäre, um den Landgang alleine zu schaffen, dann könnte die Vegetation aus einem gewaltigen Pilzgeflecht bestehen, das nur in den oberen Ebenen farbige Algen eingelagert hat. Oder vielleicht hätten es Algen als Symbioten einfacher Tiere an Land geschafft und die vorherrschende photosynthetische Lebensform wären grüne Schnecken, die langsam den wechselnden Jahreszeiten folgen? Im Detail wäre vieles denkbar und vielleicht könnte sich das Leben damit auch an ganz andere Lebensbedingungen anpassen, als wir sie kennen.

Und was wäre mit der Fortpflanzung? Hätten fremde Pflanzen Blüten? Wenn wir davon ausgehen, dass sexuelle Fortpflanzung dem Austausch von Genen dient und damit Schäden reparieren hilft, sowie die Evolution beschleunigt, dann erscheint es nicht unwahrscheinlich, dass auch Leben auf anderen Welten einen ähnlichen Mechanismus entwickelt – vielleicht ist er für komplexes Leben sogar notwendig! Auch Pflanzen auf anderen Welten wären wohl meist stationär – warum sollten sie Energie zum herumwandern verschwenden? Außer bei außerirdischen Pflanzen, die wie oben beschrieben von Tieren abstammen, gäbe es also auch hier das Problem, Geschlechtszellen verschiedener Individuen zusammenzubringen – über Wasser, Wind oder eben Tiere, so es solche auf dieser Welt gäbe. Und dazu wäre es wohl auch wieder von Vorteil irgendeine Art von Blüte zu entwickeln – wie genau diese aber aussähen, ob sie bunt wären, riechen, Schall reflektieren, als Fallen wirken oder andere Mechanismen hätten, das hinge von der Umwelt dieser Pflanzen ab und lässt sich ohne diese zu kennen nicht vorhersagen!

Zum guten Schluss gehen wir noch einen Schritt näher an unsere außerirdischen Pflanzen heran und schauen einmal nach unserer Rubisco – gibt es die hier auch? Und wenn nicht, was dann?

Diese Frage ist vielleicht am schwersten zu beantworten. Dass Zucker oder ähnliche Substanzen auch von fremden Pflanzen genutzt werden, erscheint wahrscheinlich und damit wäre auch ein ähnliches Enzym wie Rubisco möglich, das aus dem Zuckerstoffwechsel für die Photosynthese rekrutiert wurde. Denkbar wäre aber auch ein Enzym, das effizienter Kohlendioxid bindet und so die außerirdische Photosynthese effizienter macht. Was hätte das für Folgen?

Diese Pflanzen würden wohl weniger Wasser verdunsten und könnten besser mit Trockenheit auskommen. Auch könnten sie niedrigere Kohlendioxidkonzentrationen nutzen und das könnte dazu führen, dass sie ihrer Atmosphäre noch mehr des Gases entziehen und ihre Welt in der Folge noch kälter wird. Vielleicht hätte eine effektivere Photosynthese das Leben auf unserer Erde schon längst erforen? Oder würde eine solche Welt zwischen extremen Eis- und Tauzeiten schwanken? Würde der hohe Sauerstoffgehalt einer solchen Atmosphäre zu so häufigen Bränden führen, dass sich die Welt zwischen Feuer und Eis einpendelt? Würden solche „Superpflanzen“ eine Welt nah an ihrer Sonne überhaupt erst zu einem lebensfreundlichen Ort machen?

Ihr seht, auch wenn es einiges gibt, das wohl auf – zumindest manchen – fremden Welten ganz ähnlich wäre wie bei uns, bleibt genug übrig, was skurril und ungewöhnlich sein könnte – und warum sollte das Leben auf anderen Welten auch weniger vielfältig und faszinierend sein, wenn es doch schon auf unserer eigenen so facettenreich ist?

Der Grüne Planet - Teil 5, Kapitel 14: Verdursten und Verbrennen – der Preis für eine freie Mahlzeit

 

Kapitel 14 – Verdursten und Verbrennen – der Preis für eine freie Mahlzeit

Photosynthese klingt erstmal wie der perfekte Deal: Kostenlose Nahrung aus Licht und Luft! Aber wie so vieles, das zu schön klingt, um wahr zu sein, hat auch die Photosynthese so ihre Haken. Wir haben ja im letzten Kapitel gelernt, dass die Energie aus dem Licht in ATP und NADPH zwischengeseichert wird, dann aber möglichst zügig zum Bau von Zucker verwendet werden muss. Die Rubisco ist damit das vielleicht wichtigste Enzym der Welt: Nicht nur wurde nahezu aller Kohlenstoff in Lebewesen von ihr aus der Luft gewonnen, sie ist auch die entscheidende Arbeiterin, die dafür sorgt, dass sich aus Licht gewonnene Energie nicht im Blatt anstaut – und das wäre schnell schädlich, da dann Reaktionen passieren, die die DNA und andere Bestandteile der Zelle beschädigen können. Jetzt gibt es nur ein Problem: Die Rubisco, das zentrale Enzym der Photosynthese und des Lebens auf der Erde ist ziemlich mies in ihrem Job...

Wobei... Das ist nicht ganz fair. In ihrem ursprünglichen Job ist sie nämlich eigentlich sogar recht gut: Den Zucker Ribulose-1,5-bisphosphat zu binden. Und mit dem kann dann Kohelndioxid reagieren, nur bindet Rubisco dieses eben nicht wirklich gut und so wartet das Enzym im Prinzip einfach darauf, dass das richtige passiert. Und das macht Rubisco langsam, sehr langsam, tatsächlich zu einem der langsamsten bekannten Enzyme. Pflanzen lösen dieses Problem dadurch, dass sie gewaltige Mengen Rubisco enthalten – etwa die Hälfte der Proteine in Blättern können Rubisco sein und das macht sie zum mit Abstand häufigsten Protein der Erde! Es gibt Schätzungen, dass in Landpflanzen und Algen über sieben Milliarden Tonnen Rubisco vorhanden sind – mehr als alle Proteine in allen Wirbeltieren zusammen!

Rubisco ist aber nicht einfach nur langsam. Da sie Kohlendioxid nicht gut bindet, hat sie auch wenig Kontrolle darüber, was genau mit dem Ribulose-1,5-bisphosphat reagiert. Und neben Kohlendioxid kann das noch ein anderes Molekül: Sauerstoff! Und das ist ein echtes Problem, denn dabei entsteht kein Zucker, tatsächlich müssen die entstehenden Moleküle mit relativ großem Aufwand wieder zu Ribulose-1,5-bisphosphat zurück verarbeitet werden. Diese Nebenreaktion sollten Pflanzen also möglichst vermeiden. Als die Photosynthese zuerst evolvierte, war das noch kein großes Problem, da damals viel mehr Kohlendioxid als Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden war, aber heute haben wir etwa 20% Sauerstoff und nur 0,04% Kohlendioxid – und was die Sache noch schlimmer macht – bei der Photosynthese entsteht Sauerstoff!

Pflanzen müssen also ständig dafür sorgen, dass sie genug, aber nicht zu viel Licht auffangen und gleichzeitig ihre Rubisco mit genug Kohlendioxid versorgen und sie vor zu viel Sauerstoff schützen. Zu wenig Photosynthese und sie drohen zu verhungern, gerät aber die Reaktion außer Kontrolle drohen sie innerlich chemisch zu verbrennen. Wie gelingt ihnen also dieser Balanceakt?

Schauen wir zuerst einmal auf den Austausch von Kohlendioxid und Sauerstoff mit der Umwelt. Für Algen ist das noch recht einfach – beide Gase sind in Wasser löslich und können so über die Oberfläche der Alge abgegeben und aufgenommen werden. Einige Algenarten können dabei aber auch aktiv Kohlendioxid aufnehmen und so eine günstigere Umgebung für die Rubisco erzeugen. Für Landpflanzen sieht die Sache ein bisschen schwieriger aus: Auch sie können die beiden Gase mit der Atmosphäre austauschen, aber dabei verdunstet auch Wasser und sie riskieren zusätzlich zu den oben genannten Problemen auch noch zu verdursten! Die ersten Landpflanzen waren daher eher klein und blieben am feuchten Boden, wie es auch heute noch die Moose tun.

Aber dann machte die Evolution eine der großartigsten Erfindungen aller Zeiten: Die Spaltöffnung! Das sind im Prinzip einfach kleine Poren in der Oberfläche einer Pflanze, die von zwei Zellen umgeben sind. Sie sehen ein bisschen aus wie ein winziges zuschnappendes Karpfenmaul – und wie eine solches können sie sich öffnen und schließen! Farne und Blütenpflanzen haben unzählige Spaltöffnungen und können über diese genau kontrollieren, wie viel Gas sie mit der Atmosphäre austauschen und wie viel Wasser sie verlieren – dabei nutzen sie eine ganze Reihe von Signalen, um das alles minuten- oder sogar sekundengenau feinzusteuern: Licht führt dazu, dass sich Spaltöffnungen öffnen, genauso wie Kohlendioxidmangel im Blatt, sendet aber die Wurzel das Pflanzenhormon Abscisinsäure als Warnsignal für Trockenheit, dann gehen die Spaltöffnungen zu. Und nicht nur erlaubt diese Kontrolle über die Spaltöffnungen, die Balance zwischen Verhungern, Verdursten und Verbrennen zu steuern, nein Landpflanzen haben auch noch aus der Not eine Tugend gemacht und nutzen den Wasserstrom, der durch die Verdunstung entsteht als Antrieb für den Transport von Mineralien aus den Wurzeln in Spross und Blätter!

Trotzdem bleibt der Wasserverlust während der Photosynthese ein großes Problem und bei großer Trockenheit werfen daher viele Pflanzen ihre Blätter ab, denn es ist besser in eine Ruhepause überzugehen, als zu Verdursten oder das aufgefangene Licht nicht nutzen zu können. Das ist auch ein Grund, warum unsere Laubbäume im Winter die Blätter abwerfen. Gerade die Kombination aus Kälte und viel Licht ist für Pflanzen kritisch, da dann der Stoffwechsel ausgebremst wird und Lichtenergie nicht mehr schnell genug weiterverarbeitet werden kann.

Trockenheit und Hitze ist aber genauso ein Problem und an Trockenheit angepasste Pflanzen haben daher oft kleinere Blätter oder wie Kakteen gar keine mehr – sie reduzieren also die Verdunstung massiv um den Preis auch weniger Photosynthese durchführen zu können und dann langsamer zu wachsen. Aber einige Pflanzen kennen für Trockenheit noch einen weiteren Trick: Sie reichern Kohlendioxid an! Ganz so direkt wie Algen, die es aus dem Wasser aufnehmen funktioniert das allerdings aus der Luft nicht. Pflanzen wie Mais haben daher im Blatt zwei verschiedene Typen von Zellen: Im ersten (den Mesophyllzellen) gibt es keine Rubisco, dafür ist hier ein anderes Enzym aktiv: Die PEP-C (Phosphoenolpyruvat-Carboxylase). Diese kann Kohelndioxid direkt binden und in eine organische Säure einbauen (Da diese Säure 4 Kohlenstoffatome hat, wird diese Art der Photosynthese auch C4-Photosynthese genannt). Diese wird dann in den zweiten Zelltyp transportiert, in dem die Rubisco steckt und hier wird das Kohlendioxid wieder freigesetzt – dadurch hat die Rubisco ideale Bedingungen und die Photosynthese kann auch bei weniger weit geöffneten Spaltöffnungen noch effektiv laufen und so spart die Pflanze Wasser!

Noch mehr Wasser sparen andere Pflanzen wie die Dickblattgewächse (Crassulaceae) und die Kakteen: Bei ihnen findet die Bildung organischer Säuren über die PEP-C nachts statt und die Säure wird bis zum Tagesanbruch zwischengespeichert, so dass tagsüber Photosynthese bei geschlossenen Spaltöffnungen stattfinden kann! Tatsächlich war ein erster Hinweis auf diesen Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) die Beobachtung des deutschen Missionars und Botanikers Benjamin Heyne in Indien, dass die Blätter der Goethepflanze (Kalanchoe pinnata) morgens sauerer schmecken als abends!

So genial diese Mechanismen auch erscheinen, Pflanzen zahlen einen relativ hohen Preis dafür, mit ihnen die Unzulänglichkeiten der Rubisco auszugleichen. Mais und co. müssen „nur“ einen speziellen Blattaufbau organisieren, CAM-Pflanzen brauchen aber auch noch große Wasserspeicher, um die Säure speichern zu können – ein Grund, warum Kakteen und andere Wüstenpflanzen so dicklich (sukkulent) sind! In kühleren, feuchteren Klimazonen sind sie daher nicht konkurrenzfähig, da hier Wassermangel nicht mehr so entscheidend ist. Warum nutzen C4- und CAM-Pflanzen aber nicht einfach direkt die organischen Säuren, um daraus Zucker aufzubauen? Grundsätzlich spräche da biochemisch nichts dagegen, aber hier schießt ein Prinzip der Evolution quer: Evolution plant nicht, sondern fördert immer nur Veränderungen, die von Vorteil sind. Und da der ganze Stoffwechel von Pflanzen auf den Zuckeraufbau über Rubisco ausgerichtet ist, wäre jeder andere Weg erst einmal weniger effizient, auch wenn er langfristig besser wäre. C4- und CAM-Photosynthese sind also wieder einmal Beispiele dafür, dass die Evolution kein intelligenter Designer ist, sondern eher ein betrunkener Klempner, der Freitag abend noch schnell so lange am System herumschraubt, bis es einigermaßen gut funktioniert!

Wir haben jetzt also viel darüber gelernt, wie Pflanzen die Bedingungen für Rubisco optimieren können, aber was ist mit dem anderen Teil der Photosynthese – dem Licht? Auch hier kennen sie eine ganze Wunderkiste voller Tricks! Wir haben ja schon gelernt, dass Pflanzen Licht wahrnehmen können und auch, dass sie ihre Blätter bewegen können. So können sie die Blätter optimal auf das Licht ausrichten. Aber nicht nur das, sogar innerhalb der Zellen der Blätter kann Bewegung stattfinden und sich die Chloroplasten, die Zellorganellen die das Chlorophyll enthalten so anordnen, dass sie mehr oder weniger Licht auffangen.

Pflanzen können sich aber auch langfristiger an die Lichtmenge anpassen. Dass sie gezielt auf das Licht zuwachsen, haben wir ja auch schon besprochen. Viele Pflanzen können aber auch verschiedene Typen von Blättern bilden: Licht- und Schattenblätter. Erstere sind dabei darauf optimiert, weniger Wasser zu verdunsten, zweitere auch das letzte bisschen Licht aufzufangen. Manche Pflanzenarten sind auch insgesamt auf eine der Stratgien angepasst und sicher hast Du schon einmal gehört, dass manche Pflanzen am besten im vollen Sonnenlicht, Halbschatten oder Schatten wachsen.

Und reicht all das noch nicht aus, dann können einige Pflanzen auch noch einen molekularen Sonnenschutz produzieren: Farbstoffe, die überschüssiges Licht auffangen. Vielleicht sind Dir schon einmal die roten Blätter des stinkenden Storchschnabel (Geranium robertianum) aufgefallen, wenn er in der vollen Sonne wächst oder auch die graugrünen bis weisslichen Stämme mancher Kakteen und anderer Wüstenpflanzen, die durch Wachse entstehen, welche Licht reflektieren.

Obwohl Photosynthese also gar nicht so einfach ist, haben Pflanzen es meist erstaunlich gut im Griff, die verschiedenen Anforderungen zu balancieren. Was uns zur Frage des nächsten Kapitels führt: Könnte das nicht alles auch ganz anders sein?

Der Grüne Planet - Teil 5: Photosynthese

 

Kapitel 13 – Photosynthese kann man schlecht erklären

Als Grundschüler hatte ich ein Baumbuch angelegt: Ein Heft, in dass ich Blätter eingeklebt und ein paar interessante Sachen dazugeschrieben habe. Eine Seite hatte ich für die Photosynthese vorgesehen und meinen Vater gefragt, wie die denn genau funktioniert. Er meinte dann, das könne man schlecht erklären. Ich meinte: „Dann erklär es mir halt schlecht!“ Aber es gab auch gleich essen... Naja, muss ich wohl ran!

Natürlich hatte mein Vater nicht ganz Unrecht, Photosynthese kann man zwar leicht im Grundprinzip erklären (Pflanzen machen aus Luft und Wasser Zucker und nutzen dabei Licht als Energie), aber wenn es zu den Details geht, wird es schnell kompliziert. Ich will trotzdem versuchen, eine Erklärung in der Mitte zwischen dem einen Satz und dem Lehrbuch zu geben.

Fangen wir kurz mit Molekülen an. Im Prinzip sind das Atome, die durch Elektronen zu größeren Sturkturen verbunden sind. Je nachdem, welche Atome wie angeordnet sind hat jede dieser Elektronenbindungen eine bestimmte Energie. In manchen Molekülen ist es jetzt möglich, dass ein Lichtteilchen (ein Photon) genau die richtige Energiemenge mitbringt (weil es die passende Wellenlänge und damit Farbe hat), dass ein Elektron damit in eine andere Bindung gebracht werden kann.

Ein Beispiel dafür ist das Rhodopsin in unserem Auge. Darin klappt eine Bindung um, wodurch sich die Struktur ändert, was dann von der Zelle als Signal erkannt wird und voila – wir sehen etwas! Und vom Grundprinzip funktionieren auch die Photorezeptoren von Pflanzen ähnlich. Ein verwandtes Protein zu dem in unserem Auge, das Bakteriorhodopsin kommt in dem Archeen Halobacterium salinarum vor – einem kernlosen Einzeller der in sehr salzhaltigen Seen lebt. Hier wird das Umklappen der Bindung aber nicht nur zur Lichtwahrnehmung genutzt, sondern als eine Art molekularer Pumpe, die Protonen (positiv geladene Wasserstoffatome: H⁺) über die Zellmembran pumpt. Im Prinzip ist das ein ähnliches Prinzip wie bei einem Stausee – und wenn die Protonen über die Membran zurückfließen, können sie wie bei einem Stausee auch eine Art Wasserrad antreiben. Nur ist das Wasserrad hier ein anderes Protein, das ATP herstellt (Die ATP-Synthase) – ein Molekül, das Zellen als Energiespeicher nutzen – Licht wird also in chemisch nutzbare Energie umgewandelt! ATP alleine ist aber noch nicht genug für echte Photosynthese, da es nur Energie für chemische Reaktionen bereitstellt, aber keine Reaktionen möglich macht, bei denen Elektronen zwischen Molekülen übertragen werden (Redoxreaktionen). Deshalb muss Halobacterium salinarum dafür – wie wir Menschen und alle anderen Tiere auch, Zucker verbrennen.

Bei der Photosynthese kann Licht aber aus einem Molekül ein Elektron sogar komplett herausschlagen und zu einem anderen Molekül überführen – bei Pflanzen ist dieses erste Molekül ein Chlorophyll-bindender Proteinkomplex. Das Elektron wird dann von verschiedenen Proteinen weitergereicht, wobei es Schritt für Schritt seine gewonnene Energie wieder abgibt, wobei diese Energie wieder zum Pumpen von Protonen verwendet wird. Am Ende landet es beim Molekül NADPH – und dieses Molekül dient im Prinzip als ein chemischer Elektronenspeicher – zusammen mit ATP kann die Zelle daher alle Reaktionen antreiben, die sie braucht!¹

Jetzt gibt es allerdings noch zwei Probleme: Das erste ist, dass unser Ausgangsmolekül seine Elektronen irgendwie wieder aufgefüllt bekommen muss. Das funktioniert, indem es die Elektonen von einem kleinen Molekül aus der Umgebung nimmt – bei Bakterien gibt es da verschiedene Möglichkeite, Pflanzen aber nutzen Wasser (H₂O) – dabei entsteht dann aus zwei Wassermolekülen ein Sauerstoffmolekül (O₂) und vier Elektronen sowie vier Protonen (H⁺) werden frei. Wasser zu spalten hat dabei mehrere Vorteile – zum einen ist es fast überall verfügbar, zum anderen erlaubt es einen relativ großen Energieumsatz und last but not least entsteht Sauerstoff, den man nutzen kann, um chemische Moleküle zu verbrennen und ihre Energie effektiv wieder freizusetzen.

Das andere Problem ist, dass ATP und NADPH keine guten Langzeitspeicher für chemische Energie sind. Sie enthalten Stickstoff und Phosphor, die beide oft Mangelware sind und sind außerdem recht reaktionsfreudig, was hiesse, dass große Mengen auch unerwünschte Reaktionen verursachen könnten. Deshalb schließt sich an die oben beschriebene, durch Licht angetriebene Reaktionskette – die sogenannte Lichtreaktion – eine zweite an, die nicht direkt von Licht angetrieben wird – die sogenannte Dunkelreaktion. Der Name ist aber nicht besonders glücklich, denn in den beide Reaktionen laufen gleichzeitig in den gleichen Zellen und nur dann ab, wenn Licht da ist!

In der Dunkelreaktion spielt jetzt ein Protein eine besondere Rolle, über das wir im nächsten Kapitel noch ausführlicher reden werden – die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxlase/Oxygenase oder wie Botaniker sie nennen: Rubisco. Rubisco kann nämlich einen ganz speziellen Trick: Sie bindet einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (das Ribulose-1,5-bisphosphat aus dem Namen), bindet daran ein Molekül Kohlenstoffdioxid und der Zucker zerfällt in zwei Teile mit je drei Kohlenstoffatomen. Diese können jetzt in einem komplizierten Zyklus weiterverarbeitet werden, wobei ATP und NADPH verbraucht werden und am Ende wieder Ribulose-1,5-bisphosphat gebildet wird – die überschüssigen Kohlenstoffatome aber werden dabei in ein anderes Produkt eingebaut: Glukose, auch bekannt als Traubenzucker. Und Glukose ist nicht nur ein stabiler Energiespeicher, der nur aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff besteht, man kann aus ihr auch große, gut lagerbare Stärke bauen oder Cellulose für Zellwände – der ganze Prozess ist also sozusagen der biochemische Jackpot schlechthin!

Cellulose kann mit Sauerstoff auch wieder zu Kohlenstoffdioxid verbrannt werden und wenn das in Zellen kontrolliert passiert, werden wieder Protonen über eine Membran gepumpt und ATP gebildet – im Gegensatz zur Photosynthese die in Chloroplasten stattfindet, passiert dieser Prozess – die Zellatmung – in Mitochondrien. Und das ist nicht nur der Prozess, wie Pflanzen die Energie aus Zucker wieder freisetzen können – auch in den Organen wie Wurzeln oder noch wachsenden Blättern, die sich nicht per Photosynthese selbst mit Energie versorgen können – die Zellatmung ist auch der Prozess wie wir Tiere die Energie aus unserer Nahrung nutzbar machen!

Natürlich ist alles im Detail noch komplizierter und Zucker kann auch in Fette und Aminosäuren und andere Substanzen umgebaut werden, aber den grundsätzlichen Vorgang haben wir jetzt abgedeckt – und zwar gut genug, dass wir uns in den nächsten Kapiteln mit ein paar spannenden Details zur Photosynthese beschäftigen können!

1Im Detail ist alles noch etwas komplizierter, da es zwei Photonen braucht, um die Reaktion vollständig anzutreiben und es auch einen zyklischen Elektronentransport gibt, der das Elektron zurück zum Anfang bringt und so nur ATP produziert. Aber wer es so genau wissen will, kann in einem guten Lehrbuch weiterlesen