Kohlenstoff – aus der Luft in die Biosphäre und zurück

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.

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.