Kohlenstoff – aus der Luft in die Biosphäre und zurück

Was haben Plankton, Bäume und die Atmosphäre gemeinsam? Genau: Sie enthalten alle in irgendeiner Form Kohlenstoff. Auf unserer Erde befinden sich insgesamt mehr als 75 Milliarden Tonnen (75 Gigatonnen) Kohlenstoff. Doch in welchen Formen liegt der Kohlenstoff vor und wie kann er ausgetauscht werden?

Stoffflüsse bei der Photosynthese

Schema der Stoffflüsse bei der Photosynthese: Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Verbindungen wie Zucker herzustellen. Dabei tritt Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biosphäre über. Bild: CanStockPhoto

Wenn man sich für den Verbleib und die Bewegungen des Kohlenstoffs auf unserem Planeten interessiert, kann man sich die Erde als Kombination aus fünf Teilsystemen vorstellen: Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle, die unseren Planeten umgibt. Das zweite Teilsystem ist die Hydrosphäre, also die Gesamtheit des Wassers auf der Erde. Weiter unterscheidet man die Lithosphäre, also die Erdkruste, sowie die Biosphäre, die Gesamtheit aller Lebewesen. Unter der Pedosphäre versteht man den Teil des Systems Erde, der von Böden eingenommen wird. Die oben erwähnten 75 Gigatonnen Kohlenstoff verteilen sich auf diese fünf Systeme; dabei tauschen sie Kohlenstoff untereinander aus, und dieser nimmt dabei verschiedene Formen an.

Es geschieht höchst selten, dass Kohlenstoff von ausserhalb der Erde in diese Systeme gelangt oder umgekehrt aus der Umgebung der Erde verlorengeht (ein Beispiel wäre, wenn ein Raumschiff sich aus der Atmosphäre entfernt). Deshalb werden Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Pedosphäre zusammen als geschlossenes System betrachtet.

Die fünf Teilsysteme des Kohlenstoffkreislaufs auf der Erde sind die Atmosphäre, die Hydrosphäre, die Lithosphäre, die Biosphäre und die Pedosphäre.

Von der Atmosphäre in die Biosphäre: Wie Kohlenstoff aus der Luft in eine Pflanze gelangt

Innerhalb des Systems Erde ist der Kohlenstoff keineswegs an ein einzelnes Teilsystem oder etwa eine einzige Form gebunden. Vielmehr gibt es zahlreiche Wege, auf denen Kohlenstoff von einem Teilsystem in ein anderes gelangt. In der Atmosphäre ist Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Kohlendioxid (CO2) vorhanden. In die Biosphäre gelangt dieser Kohlenstoff über den Prozess der Photosynthese; dabei werden unter Verwendung von Sonnenlicht aus CO2 und Wasser Zuckerverbindungen hergestellt. Doch nicht alle Lebewesen können Photosynthese betreiben – dies ist den Pflanzen, Algen und gewissen Bakterien vorbehalten. Bei der Photosynthesereaktion werden aus sechs Molekülen Wasser und sechs Molekülen CO2 ein Zuckermolekül und sechs Sauerstoffmoleküle hergestellt.

6 H2O + 6 CO2 → 6 O2 + C6H12O6

Dabei wird ersichtlich, dass Stoffe aus der Umwelt – in diesem Fall CO2 und Wasser – zu Stoffen umgewandelt werden, welche im Lebewesen verbleiben – in diesem Fall Zucker. Eine solche Akkumulation von Stoffen aus der Umwelt in einen Organismus wird in der Fachsprache als Assimilation bezeichnet. Lebewesen, welche die Fähigkeit zur Bildung von energiereichen Verbindungen aus CO2 haben, nennt man autotroph. Im Gegensatz dazu erhalten heterotrophe Organismen wie Tiere und Menschen den Kohlenstoff zur Energiegewinnung und zum Aufbau von körpereigenen Stoffen aus ihrer Nahrung.

Die Zellatmung: Wie Mensch und Tier aus Kohlenstoff Energie gewinnen

Um aus Kohlenstoffverbindungen Energie gewinnen zu können, nutzen alle eukaryotischen Organismen den Prozess der Zellatmung. Dabei wird Sauerstoff und beispielsweise Glukose verwendet, um CO2, Wasser und das energiereiche Molekül ATP herzustellen. Vereinfacht gesagt findet dabei die Umkehrung der Photosynthese statt: Sechs Moleküle Sauerstoff und ein Molekül Glukose werden zu sechs Molekülen Wasser und CO2 umgebaut (Genaueres dazu findest du in der Highlight-Box weiter unten).

6 O2 + C6H12O6 → 6 H2O + 6 CO2

Dieser Prozess bewirkt das Übertreten von Kohlenstoff aus der Biosphäre in die Atmosphäre und wird – analog zu Assimilation – als Dissimilation bezeichnet.

Der Kohlenstoffkreislauf schliesst sich

Darstellung eines Methan-Moleküls

Methan entsteht bei der Vergärung von Biomasse unter Luftabschluss. Dieses Biogas kann verbrannt und als Energieträger genutzt werden. Gelangt es in die Atmosphäre, ist es ein bedeutendes Treibhausgas und trägt somit zur globalen Erwärmung bei. Bild: CanStockPhoto

Was passiert aber mit dem Kohlenstoff, den die Pflanzen zum Wachstum verwendet und in ihre Substanz eingebaut haben? Es gibt verschiedene Wege, wie er aus der organischen Materie wieder in die Atmosphäre übertreten kann. Einer davon ist die Vergärung. Wenn Pflanzen unter Luftabschluss abgebaut werden (beispielsweise in einem Sumpf ohne Sauerstoff), so kommt es zur Bildung von CH4, sogenanntem „Sumpfgas“ oder Methan. Zahlreiche Mikroorganismen sind daran beteiligt, die Bestandteile der Zelle nach und nach in immer kleinere Komponenten zu zerlegen. Zwischenprodukte sind dabei z. B. Einfachzucker und Fettsäuren, welche wiederum zu Alkoholen, Milchsäure oder Essigsäure fermentiert werden. Zuletzt erfolgt die eigentliche Bildung des Methans durch methanogene Organismen, und das CH4 entweicht in die Atmosphäre.

Auf unserem Planeten herrscht also ein ständiger Austausch von Kohlenstoff zwischen den verschiedenen Teilsystemen. Die Assimilation und Dissimilation von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biosphäre und zurück spielt dabei äusserst wichtige Rolle, denn Mensch und Tier benötigen diesen Kohlenstoff, um Zellstrukturen aufzubauen und Energie zu gewinnen.

Wie Lebewesen aus Zucker Energie gewinnen – und was CO2 damit zu tun hat

Die Biochemie der Energiegewinnung aus Zucker ist ziemlich komplex! Der erste Teilprozess wird als Glykolyse bezeichnet und läuft im Zytoplasma einer Zelle ab. Dabei entstehen aus Glukose über das Zwischenprodukt Fruktose-bisphosphat die Moleküle Pyruvat und ATP (letzteres wird zur Energiegewinnung genutzt).

Der nächste Schritt läuft in den Mitochondrien ab und wird als Zitratzyklus zusammengefasst. Dabei werden über viele Zwischenschritte ATP, NADH und FADH2 gebildet. Um auch aus diesen Trägern noch mehr ATP herzustellen, braucht es die Atmungskette. Diese findet ebenfalls in den Mitochondrien statt. Dabei laufen verschiedene Redoxreaktionen ab, und es entstehen 18 weitere Moleküle ATP aus NADH und FADH2.

Schliesslich hat also der Körper des Tieres energiereiche Verbindungen wie Glukose zu ATP als Energieträger umgewandelt. Das freigesetzte CO2 tritt nun aus der Biosphäre wieder in die Atmosphäre über und kann von Pflanzen erneut für die Photosynthese genutzt werden.

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