Der Kohlenstoffkreislauf

Auch der Kohlenstoffkreislauf - ähnlich dem Stickstoffkreislauf - ist ein beliebtes Thema der Lehrer für normale Klausuren, aber auch fürs Abi. Es lohnt sich also, ihn zu verstehen und zu lernen.

Aufgaben:

• Denk mal nach: Wo kommt Kohlenstoff überall vor?
• Brauchen wir Kohlenstoff zum Leben?

Warum ist der Kohlenstoffkreislauf so wichtig für uns?

Jedes lebendige Wesen, und somit auch der Mensch, ist angewiesen auf das Element C - Kohlenstoff. Denn dieser ist ein überaus wichtiger Baustoff für diverse Proteine, Lipide, Nucleinsäuren und Kohlenhydrate. Ohne den Kohlenstoff wäre unser Körper also nicht lebens- oder funktionsfähig. Bei Tieren und Pflanzen ist es nicht anders. Auch sie benötigen bestimmte Lipide, Proteine etc. zum Leben.

Nun ist es so, dass in der Biosphäre, also in allen lebenden Organismen zusammen nur 0,001% des irdischen Kohlenstoffs vorkommen. Der Rest ist vor allem in der Lithosphäre (im Gestein) zu finden, sowie andere kleine Prozente in der Atmosphäre (Luft), der Hydrosphäre (Wasser) und der Pedosphäre (oberste Schicht der Erde - Boden).

Die über 99% des irdischen Kohlenstoffs sind zu einem großen Teil fest ins Sediment integriert, sodass es sehr lange dauert (tausende von Jahren), bis dieses Vorkommen an Kohlenstoff für die Biosphäre teilweise verfügbar wird.

Aus diesem Grund findet der Großteil des Austauschs des Kohlenstoffkreislaufs zwischen Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre statt. So wird beispielsweise jährlich ein Siebtel des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffs von Pflanzen assimiliert - also umgesetzt und den Konsumenten erster Ordnung (Pflanzenfresser) zugänglich gemacht.

Weil nur über circa 0,5% des Kohlenstoffs "einfach so" verfügt werden kann, ohne Sedimente chemisch aufzulösen, ist es wichtig, dass ein Kreislauf entsteht, sodass der Kohlenstoff nicht an einer Endstation gelagert wird, bis alles Leben auf der Erde erlischt.

Wie läuft der Kohlenstoffkreislauf ab?

Das folgende Bild soll dir zeigen, wie der Kohlenstoffkreislauf grob abläuft. Wir werden bei der Erklärung auch zunächst die Abläufe in der Hydrosphäre außer Acht lassen, damit der Prozess leichter zu verstehen ist.

1. Die Assimilation (grünes Feld)

Als Startpunkt für den Kohlenstoffkreislauf haben wir die Assimilation des Kohlenstoff durch Pflanzen bzw. andere Produzenten gewählt.

Bei der Assimilation wir durch den Prozess der Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Kohlenstoffdioxid (CO2) in organische Substanzen umgewandelt. 

Die kleine Pflanze auf dem Bild könnte zum Beispiel ein Apfelbaum sein, der mit Hilfe der Photosynthese Äpfel produziert, die jede Menge Fruchtzucker enthalten - also umgewandelten Kohlenstoff.

2. Die Respiration (orangefarbenes Feld)

Das Pferd frisst nun den Apfel und löst bei der Verdauung die Fruchtzucker (und damit die enthaltenen Kohlenstoffe) aus dem Fruchtfleisch heraus. Diese Frucht werden durch die Blutbahn an Stellen geleitet, wo Energie benötigt wird. Dort werden sie im Prozess der Zellatmung so lange umgeformt, bis alle für das Tier verwertbare Energie ausgenutzt wurde. Das Pferd atmet Kohlenstoffdioxid und Wasser aus, sodass der Kohlenstoff zum größten Teil zurück in die Atmosphäre gelangt.

3. Die Zersetzung (violettes Feld)

Ein Teil des Kohlenstoffs wird jedoch immer auch für den Aufbau von Biomasse verwendet, sei es, dass ein Baum wächst (dazu muss er zwangsläufig mehr Kohlenstoff ansammeln) oder ein Tier zunimmt. In der lebendigen Biosphäre ist also auch immer Kohlenstoff als "Gerüst-" und "Arbeitsstoff" zu finden.

Stirbt ein Lebewesen jedoch, geht der als Baustoff verwendete Kohlenstoff nicht verloren. Destruenten wie Bakterien und bestimmte Pilze sorgen dafür, dass die tote Biomasse von Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien wieder zersetzt werden.

Diese Pilze und Bakterien gewinnen ihrerseits Energie aus der Zersetzung und machen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid wieder zugänglich für Produzenten aller Art.

Ein Teil des freigesetzten CO2 gelangt dabei wieder zurück in die Atmosphäre - ein weiterer Teil bleibt im Boden (in der Pedosphäre) zurück als Humus und Torf, die sich über tausende von Jahren hinweg zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle aber auch zu kohlehaltigen Sedimenten wie Carbonat und Kerogen umwandeln können.

4. Die Diffusion (dunkelblaues Feld)

Das Kohlenstoffdioxid kann nicht nur über den langen Umweg der Assimilation und anschließenden Zersetzung in den Boden gelangen. Ein Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs kann auch in die Pedosphäre diffundieren.

5. Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen (hellblaues Feld)

Die ersten vier Schritte laufen schon seit Millionen Jahren genau so ab. Dieser fünfte jedoch erst, seitem der Mensch Erdöl und Kohle als würdig empfunden hat, seine Gefährte zu betreiben und seine Häuser zu beheizen. Hier wird Kohlenstoff in Form von fossilen Brennstoffen in Fabriken verbrannt, um Energie zu gewinnen. Dabei wird wieder CO2 frei, das in die Atmosphäre entlassen wird.

Aufgaben: 

• Wiederhole noch einmal den Kohlenstoffkreislauf stichwortartig in deinen eigenen Worten und fertige dazu eine passende Skizze an.
• Die Hydrosphäre wurde in diesem Artikel noch nicht behandelt. Was denkst du, geschieht mit dem Kohlenstoff im Meer, bzw. wie gelangt der Kohlenstoff dahin? Stelle Nachforschungen zu dem Thema mithilfe des Internets und deines Biologie Buches an!