5. – 6. Schuljahr

Wilfried Probst

Nützliche Knöllchen

Die Eiweißproduktion von Hülsenfrüchtlern als Symbiose mit Bakterien verstehen

Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette dies sind die Grundnährstoffe einer ausgewognenen Ernährung. Eiweiße finden sich vor allem in tierischen Lebensmitteln, wie Fleisch, Eier und Milch. Die meisten pflanzlichen Nahrungsmittel enthalten nur wenig Eiweiß. Eine große Ausnahme sind Hülsenfrüchte, wie Linsen und Bohnen. Ihr Eiweißreichtum beruht auf einer Symbiose zwischen Hülsenfrüchtlern und Bakterien.

Für eine ausgewogene Ernährung sollten, laut der Deutschen Gesellschaft für Ernährung e. V. (DEG, nach DEBInet), 15% der aufgenommen Nahrung aus Eiweißen bzw. Proteinen bestehen. Das entspricht bei einem Erwachsenen etwa 0,8g Protein pro Kilogramm Körpergewicht und Tag (DEG 2017).
Im Unterschied zu Kohlenhydraten und Fetten enthalten Proteine viel Stickstoff. Daher benötigt der Mensch die Bestandteile aus solchen Nahrungsproteinen, um stickstoffreiche Verbindungen aufbauen zu können. Hierzu zählen Nukleinsäuren und körpereigene Proteine wie Strukturproteine, Transportproteine, Enzyme und Peptidhormone. Schließlich können Proteine auch zur Energiebereitstellung herangezogen werden.
Etwa 78 Volumenprozent der atmosphärischen Luft besteht aus Stickstoff. In der Erdkruste ist Stickstoff hingegen nur in geringen Mengen enthalten. Pflanzen können ihn nur mit Nitrat- oder Ammoniumionen aufnehmen. Diese stammen in der Regel aus organischen Abfallstoffen, die zuvor von Zersetzern abgebaut wurden. Der Luftstickstoff, der aus einem sehr stabilen N2-Molekül besteht, kann von Pflanzen nicht verarbeitet werden. So ist Stickstoff für Pflanzen der wachstumsbegrenzende Faktor.
Eiweißreiche Hülsenfrüchte
Für eine ausreichende Stickstoffversorgung gehen Hülsenfrüchtler (Abb. 1) mit Bodenbakterien, in diesem Fall Rhizobium und verwandte Gattungen, Symbiosen ein. Diese endosymbiotischen Bakterien können Stickstoff aus der Luft verarbeiten, und so für die Pflanze nutzbar machen. Der damit verbundene hohe Bedarf an Stoffwechselenergie wird von der Pflanze gedeckt. Durch die hohe Stickstoffversorgung reichern die Hülsenfruchtler viel Eiweiß an. Ihre Hülsenfrüchte erreichen so ähnliche hohe Eiweißwerte wie Fleich und Fisch und übertreffen damit deutlich die Werte der meisten anderen pflanzlichen Nahrungsmittel (Tab. 1).
Symbiose über Infektion
Rhizobien sind übliche Bestandteile der Mikrobengesellschaft des Bodens. Durch einen wechselseitigen Signalaustausch finden die Wurzeln der Hülsenfrüchtler mit passsenden Rhizobien zusammen. Nach Kontakt mit Rhizobien krümmen sich die Wurzelhaare der Pflanze zunächst ein. Anschließend bilden die Zellen der Wurzelhaare einen Infektionsschlauch aus, durch welchen die Bakterien bis in Wurzelrinde aufgenommen werden. Die infizierten Zellen vergrößern und teilen sich. Dasselbe gilt für die aufgenommenen Bakterien. In besonderen Bakteriosomen in den Zellen der Wurzelrinde eingeschlossen, verändern sie ihre Gestalt zu sogenannten Bakteroiden. Sie können Luftstickstoffmoleküle zu Ammoniak bzw. Ammoniumionen reduzieren. Diese Stickstofffixierung benötigt einen hohen Energieeinsatz: pro Stickstoffmolekül werden 16 ATP umgesetzt. Die ist Rhizobien in den Wurzelknöllchen möglich, da sie von de Wirtspflanze mit Kohlenhydraten versorgt werden.
Biologiedidaktische Bezüge
Symbiosen mit Mikroben sind sehr häufige, unsere Lebenswelt bestimmende Phänomene. Eine altersgemäße und gleichzeitig fachgerechte Vermittlung für die Klassenstufen 56 bietet jedoch einige Schwierigkeiten. Ginge es nur um Symbiose an sich, so könnte man diese sicherlich anschaulicher an Beispielen wie Einsiedlerkrebs und Seeanemone verdeutlichen. Doch gerade die Symbiosen mit Mikroben sind, wie Evolution oder Ökologie, für das Verständnis des Lebens auf der Erde von grundlegender Bedeutung. Daher sollten auch sie schon in den Biologieunterricht der Orientierungsstufe eingebunden werden.
Die Symbiose...

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