Der biologische und globale Kohlenstoffkreislauf einfach erklärt

Jedes Mal, wenn du ausatmest, gibst du Kohlenstoff in die Luft ab. Hast du dich jemals gefragt, wo dieser Kohlenstoff hingeht? Vielleicht wird er von einem Baum vor deinem Fenster aufgenommen, oder vielleicht war genau dieses Kohlenstoffteilchen vor Millionen von Jahren Teil eines Dinosauriers!

In diesem Artikel werden wir entdecken, wie der biologische und globale Kohlenstoffkreislauf funktioniert und wie die Natur Kohlenstoff in einem riesigen, weltweiten Kreislauf immer wieder recycelt. Du wirst lernen, wie Pflanzen und Tiere dabei zusammenarbeiten und warum unsere modernen Fabriken und Autos dieses uralte Gleichgewicht durcheinanderbringen.

Vorwissen

• Kohlenstoffspeicher: Orte auf der Erde, an denen Kohlenstoff gelagert wird (z. B. Ozeane, Gesteine, Atmosphäre).

  Beispiel: Im Ozean ist sehr viel Kohlenstoffdioxid gelöst.

• Fossile Brennstoffe: Überreste von toten Pflanzen und Tieren, die über Millionen von Jahren unter hohem Druck zu Kohle, Erdöl oder Erdgas wurden.

  Beispiel: Benzin für Autos wird aus Erdöl hergestellt.

Aufgabentyp 1: Biologische Prozesse im Kohlenstoffkreislauf erkennen

Der globale Kohlenstoffkreislauf verbindet die Erde (Gesteine, Ozeane) mit der Welt der Lebewesen (Pflanzen, Tiere). Stell dir diesen Kreislauf wie eine riesige Waage vor.

Auf der einen Seite der Waage wird Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) in die Atmosphäre abgegeben, zum Beispiel durch Vulkane oder wenn Lebewesen atmen. Auf der anderen Seite wird genau die gleiche Menge $\text{CO}_2$ wieder aus der Luft entfernt, zum Beispiel weil Gesteine verwittern oder Pflanzen es aufnehmen.

Solange die Menge an Pflanzen und Tieren auf der Erde ungefähr gleich bleibt, bleibt auch die Menge an $\text{CO}_2$ in der Luft konstant. Die Natur hat ein perfektes Gleichgewicht gefunden.

Der menschliche Einfluss

Seit Beginn des Industriezeitalters (vor etwa 200 Jahren) hat der Mensch angefangen, massenhaft fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdöl zu verbrennen. Diese Stoffe lagen Millionen Jahre tief unter der Erde versteckt.

Wenn wir sie verbrennen, fügen wir der Atmosphäre plötzlich riesige Mengen an zusätzlichem $\text{CO}_2$ hinzu. Die natürlichen Prozesse (wie das Wachstum von Pflanzen) sind nicht schnell genug, um dieses viele extra $\text{CO}_2$ wieder aufzunehmen.

Die Waage kippt. Es gelangt mehr $\text{CO}_2$ in die Atmosphäre, als ihr entzogen wird. Deshalb steigt der $\text{CO}_2$-Gehalt in unserer Luft stetig an, was unser Klima verändert.

Photosynthese und Zellatmung

Wie genau tauschen Lebewesen nun Kohlenstoff mit der Atmosphäre aus? Das passiert durch den biologischen Kohlenstoffkreislauf, der aus zwei Hauptprozessen besteht, die wie ein Spiegelbild füreinander arbeiten.

1. Die Photosynthese (Aufbau)

Pflanzen sind wie kleine Fabriken. Sie nehmen Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) aus der Luft und Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) aus dem Boden auf. Mithilfe der Energie des Sonnenlichts bauen sie daraus energiereichen Zucker, die sogenannte Glucose. Als Abfallprodukt geben sie Sauerstoff ($\text{O}_2$) in die Luft ab.

Die chemische Reaktionsgleichung sieht so aus (wir markieren den Kohlenstoff blau, damit du ihn verfolgen kannst):

$6 \textcolor{#08BFFF}{\text{C}}\text{O}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} \to \textcolor{#08BFFF}{\text{C}}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2$

2. Die Zellatmung (Abbau)

Tiere, Menschen und auch Pflanzen selbst brauchen Energie zum Leben. Dafür fressen sie Pflanzen (und damit die Glucose) und atmen den Sauerstoff ein. In ihren Körperzellen wird die Glucose dann mit dem Sauerstoff „verbrannt“, um Energie zu gewinnen. Dieser Vorgang heißt Zellatmung.

Dabei wird der Kohlenstoff wieder frei und als Kohlenstoffdioxid ausgeatmet. Auch Wasser entsteht dabei wieder:

$\textcolor{#08BFFF}{\text{C}}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2 \to 6 \textcolor{#08BFFF}{\text{C}}\text{O}_2 + 6 \text{H}_2\text{O}$

Wie du siehst, ist die Zellatmung genau die Umkehrung der Photosynthese. Der Kohlenstoff wandert von der Luft in die Pflanze, von der Pflanze ins Tier und vom Tier wieder zurück in die Luft. Ein perfekter Kreislauf!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe herausfinden sollst, welcher biologische Prozess beschrieben wird, nutze diesen Plan:

1. Suche nach dem Kohlenstoffdioxid: Prüfe, ob das $\text{CO}_2$ aus der Luft aufgenommen oder abgegeben wird.
2. Suche nach der Glucose: Bestimme, ob Glucose hergestellt oder verbraucht wird.
3. Bestimme den Prozess: Wähle Photosynthese bei $\text{CO}_2$-Aufnahme oder Zellatmung bei Glucose-Verbrauch.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Der natürliche Kohlenstoffkreislauf ist im Gleichgewicht: Es wird genauso viel $\text{CO}_2$ aufgenommen wie abgegeben.
• Durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen bringt der Mensch dieses Gleichgewicht durcheinander, und der $\text{CO}_2$-Gehalt in der Luft steigt.
• Photosynthese: Pflanzen machen aus $\text{CO}_2$ und Wasser mit Sonnenlicht Glucose und Sauerstoff.
• Zellatmung: Lebewesen verbrennen Glucose mit Sauerstoff, um Energie zu gewinnen. Dabei entsteht wieder $\text{CO}_2$ und Wasser.