Unverzichtbar für das Leben

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Von Wolfgang Thüne

Von Umweltschützern und Politikern wird Kohlendioxid häufig pauschal als »Umweltgift« bezeichnet. Kaum jemand hinterfragt, ob diese Behauptung gerechtfertigt ist. Welche Rolle spielt dieses Gas tatsächlich im Naturhaushalt und für das Leben insgesamt?

Findet der sprudelnde »Mineralgeist« CO₂ in der Öffentlichkeit Erwähnung, dann fast ausschließlich im negativen Sinne als »Klimagas«, das die Erde aufheize, zur Erderwärmung beitrage und bei weiterer Konzentrationszunahme schon in naher Zukunft zur globalen »Klimakatastrophe« führe. Diese Gefahr erscheint so groß, dass man erwägt, das Gas bei seiner Entstehung zu »sequestrieren« und so nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen. Doch geht es nicht nur um die Frage von CO₂ als »Klimakiller«, sondern auch darum, mit welcher Berechtigung man CO₂ pauschal als »Umweltgift« bezeichnen kann.

Pflanze als chemische Fabrik

Die Frage, ob CO₂ ein »Umweltgift« ist, das man nach Möglichkeit aus der Atmosphäre gänzlich eliminieren sollte, muss jeden Menschen interessieren, der Naturschutz als Lebensschutz begreift. »Hab Ehrfurcht vor der Pflanze, alles lebt durch sie!« Dieser Satz findet sich am Eingangsportal des Botanischen Gartens in Berlin. Um den Satz zu verstehen, ist zu fragen, wie die Pflanze als »chemische Fabrik« arbeitet und welche Rohstoffe für die Photosynthese notwendig sind. Die bekannte chemische Gleichung:

6 CO₂ + 6 H₂O -› C₆ H₁₂O₆ + 6 O₂

besagt, dass aus zwei anorganischen Molekülen CO₂ und H₂O ein organisches Zuckermolekül hergestellt und Sauerstoff freigesetzt wird. Die Pflanzen sind Grundlage allen Lebens und werden daher »Primärproduzenten« genannt. Sie erzeugen die Nahrung für alles höhere Leben auf Erden und liefern auch den Sauerstoff, um diese Nahrung wieder zu verbrennen. Bei der Photosynthese handelt es sich um den wichtigsten chemischen Prozess auf der Erde, der quantitativ nur vom Kreislauf des Wassers übertroffen wird. Wann immer gesagt wird, »Wasser ist Leben«, so gilt mit gleicher Berechtigung »Kohlendioxid ist Leben«. Würde man die Luft vom »Umweltgift« CO₂ befreien, verhungerten die Pflanzen. Ohne Wasser verdursten sie.

Die Energie für die Reduktion des CO₂ bei der Photosynthese wird durch die Sonnenstrahlung im Wellenlängenbereich von 0,42 bis 0,65 µm geliefert. Da Wasser- und Wärmeangebot auf der Erdkugel sehr unterschiedlich sind, haben sich neben den C3-Pflanzen wie Hafer, Reis, Roggen und Weizen in den gemäßigten Breiten in den Tropenzonen C4-Pflanzen wie Mais, Hirse und Zuckerrohr entwickelt. Das Optimum der CO₂-Fixierung liegt bei den C3-Pflanzen bei 15 bis 20°C, bei den C4-Pflanzen bei 30 bis 40°C Lufttemperatur. Letztere benötigen wenig, vorübergehend sogar überhaupt kein CO₂ von außen. Sie können mangels Wasser ihre Spaltöffnungen für einige Zeit ganz schließen, ohne dass die Photosynthese beeinträchtigt wird. Sie schränken damit die hohen Wasserverluste durch Transpiration ein.

Wenn man die Erde bereist und den Artenreichtum bestaunt, verwundert es, mit welch wenigen Rohstoffen die Natur einen solchen Reichtum und Überfluss an Ökosystemen erzeugt. Der Wasserdampfgehalt der Luft schwankt zwischen null und vier Prozent, doch dies genügt, um im globalen Mittel 1000 Liter Regen auf den Quadratmeter pro Jahr niedergehen zu lassen. Ein noch geringerer Spurenstoff ist das Kohlendioxid mit knapp 0,04 Prozent. Es müssen also gewaltige Kreisläufe vorhanden sein, damit kein Mangel an pflanzlichen Grundnahrungsmitteln herrscht. Der Wassergehalt der Luft erneuert sich durch Verdunstung, die circa 30 Prozent der Sonnenenergie verschlingt, etwa alle zehn Tage. Der CO₂-Gehalt wird stabilisiert durch den ewigen Kreislauf zwischen der Primärproduktion der Flora, dem Konsum der Fauna wie der Destruktion durch Mikroorganismen und Verwesung. Biologen schätzen, dass der CO₂-Vorrat in der Luft von etwa 750 Gigatonnen alle fünf bis sechs Jahre total erneuert wird. Während das CO₂ in der Luft ziemlich uniform über die Erde verteilt ist, gibt es beim temperaturabhängigen Wassergehalt extreme Unterschiede. Wo kein Wasser ist oder wo Wasser zu Eis erstarrt ist, da wachsen keine Pflanzen, obgleich es nicht an CO₂ mangelt.

So wie die Temperatur je nach Wechsel zwischen Ein- und Ausstrahlung einen ausgesprochenen Tages- und Jahresgang aufweist, so ist dies auch beim CO₂-Gehalt der Luft zu messen. Beide haben jedoch wenig miteinander zu tun. Während die Temperaturen morgens bei Sonnenaufgang ein Minimum aufweisen und kurz nach Sonnenhöchststand dem Maximum zutreiben, folgt der CO₂-Gehalt der Assimilationstätigkeit der Pflanzen. Da diese bei Nacht ruht, ist er bei Sonnenaufgang am höchsten und nimmt im Laufe des Tages durch Photosynthese ab. Bei Nacht wird über den Boden der CO₂-Vorrat der Luft wieder aufgefrischt, sozusagen der Frühstückstisch der Pflanzen gedeckt. Mit Sonnenaufgang startet die Photosynthese, unabhängig von der Temperatur. Dieses Wissen hat zu der Bauernregel geführt: »Mai kühl und nass, füllt dem Bauern Scheune und Fass!«

Was den Tagesgang des Kohlendioxidgehaltes der Luft betrifft, so berichtet Walter Hesse in seinem Lehrbuch »Grundlagen der Meteorologie« von Messungen über einem Kartoffelfeld im Sommer 1952. Im Tagesverlauf sank der CO₂-Gehalt von 0,04 Prozent um gut 30 Prozent auf etwa 0,03 Prozent am späten Nachmittag. In Wäldern ist der Tag-Nacht-Rhythmus der Photosynthese noch ausgeprägter.

Photosynthese aus biologischer Sicht

Die Photosynthese mit der CO₂-Assimilation findet nur bei Tage statt. Die Pflanze und mit ihr die Nahrungsproduktion ruhen bei Nacht. Um sie in Betrieb zu setzen, bedarf es eines »Katalysators«. Dieser zwingend notwendige Katalysator oder Rezeptor ist der grüne Farbstoff Chlorophyll. Die Chlorophyll-Moleküle sind unverzichtbar, um die kurzwellige Strahlungsenergie der Sonne einzufangen und in die Nahrungskette einzuspeisen. Die Sauerstoffproduktion der Pflanzen und die Menge an Chlorophyll stehen in direkter Beziehung zueinander.

Die vereinfacht dargestellte Photosynthesegleichung entspricht noch nicht ganz der Realität. Zur Bildung eines Zuckermoleküls C₆H₁₂O₆ müssen jeweils 6 Moleküle CO₂ verarbeitet werden. Nimmt man an, dass der dazu benötigte Wasserstoff H dem in den assimilierenden Zellen vorhandenen Wasser entnommen wird, so muss der Bedarf an H₂O-Molekülen auf 12 verdoppelt werden. Der bei der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff rührt ausschließlich aus der Spaltung des H₂O-Moleküls und das CO₂ bleibt unverändert erhalten. Die korrekte Gleichung lautet:

6 CO₂ + 12 H₂O -› C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O.

Die schon erwähnte Bauernregel findet hier ihre Bestätigung: Zur Photosynthese ist neben dem global gleichmäßig verteilten, dem ubiquitären CO₂, vor allem Wasser nötig. Die Temperatur der Luft spielt bei der CO₂-Assimilation eine optimierende, aber keine dominante Rolle. Doch selbst diese Formel ist immer noch nicht komplett. Wie die Verbrennungswärme des Zuckers zeigt, ist in der Glukose eine beträchtliche Energiemenge gebunden. Bei der völligen Verbrennung von einem Mol Glukose (180 g) zu CO₂ und H₂O werden 657 Kilokalorien oder 2825 KJ an Energie frei. Diese Energie muss also vorab dem System bei der Synthese von Zucker aus den Rohstoffen CO₂ und H₂O zugeführt werden. Dies ist ganz offensichtlich der Grund, warum bei der CO₂-Assimilation der grünen Pflanzen überhaupt Licht benötigt wird. Denn einzig das Licht der Sonne kann die hochenergetische Energie liefern, die bei der Zuckersynthese durch die Pflanze benötigt wird:

6 Mol CO₂ + 12 Mol H₂O + 675 Kal -› 1 Mol C₆H₁₂O₆ + 6 Mol O₂ + 6 Mol H₂O.

Jetzt erst enthüllt sich das eigentliche Wesen der pflanzlichen Photosynthese: Es wird hier in den Pflanzen nicht nur in einzigartiger Weise aus einfachen anorganischen Grundstoffen organischer Zucker gebildet, ohne den ein Leben auf unserer Erde gar nicht möglich wäre. Es werden außerdem aus dem breiten Spektrum an Sonnenenergie spezielle Lichtquanten aufgefangen und in Form von chemischer Energie gespeichert, um beim Verzehr der Pflanzen den verschiedenen Zwecken des Lebens wieder dienstbar gemacht zu werden.

Die Photosynthese der grünen Pflanzen ist der einzige Vorgang, bei dem auf der Erde in großem Maße Sonnenenergie aufgefangen, gespeichert und so der direkten Erwärmung des Erdkörpers entzogen wird. Wir Menschen sind sprichwörtlich Kinder der Sonne. Jahr für Jahr nehmen allein die Landpflanzen etwa 1018 Kalorien an Sonnenenergie auf. Wenn alles Leben von den winzigen Mengen von Kohlendioxid in der Luft abhängt, kann dann dieses lebensnotwendige Molekül als »Umweltgift« bezeichnet werden? Aus botanischer, zoologischer wie anthropologischer Sicht ist dieses Urteil einfach falsch.

Gigantische Mengen Kohlendioxid

Bei dem sehr geringen CO₂-Gehalt der Luft und der gigantischen biologischen Aktivität der Pflanzen im Wasser wie auf dem Festland drängt sich die Frage auf, wie der ungeheure Bedarf an Luftkohlensäure gedeckt werden kann. Hierzu werden in dem »Lehrbuch der Botanik« folgende Überlegungen angestellt: »Erstaunlicherweise sorgt nun das Leben selbst auf unserer Erde für eine dauernde Rückbildung von CO₂ in größtem Umfang . . . Ein erwachsener Mensch atmet im Ruhezustand in 24 Stunden rund ein Kilogramm CO₂ aus und in der gleichen Größenordnung liegt auch die Atmungsintensität des Tieres und der höheren Pflanze. Einschließlich der Exhalation der Vulkane und der Tätigkeit unserer Industrie wären jedoch Menschen, Tiere und höhere Pflanzen immer noch nicht imstande, die beachtliche Konstanz des Luftkohlensäuregehaltes aufrecht zu erhalten, wenn nicht neben ihnen noch das große Heer der sogenannten niederen Organismen, insbesondere der Bodenbakterien, lebte und atmete, mit einer ungeheuren CO₂-Produktion. Man hat in einem Kubikzentimeter eines guten Ackerbodens schon mehrere Milliarden Bakterien gefunden und schätzt die stündliche CO₂-Entwicklung aus einem Hektar auf 2 bis 5 Kilogramm CO₂, bei Waldboden auf wesentlich mehr. Das ergibt pro Jahr derartige Mengen an CO₂, dass man verstehen kann, dass gerade diese Mikroorganismen bei der Bilanz des CO₂-Gehaltes unserer Lufthülle eine entscheidende Rolle spielen. Auf sie und ihre CO₂-Produktion geht es auch zurück, wenn der CO₂-Gehalt der Luft dicht über dem Erdboden die höchsten Werte erreicht.«

In der Natur findet ein gewaltiger CO₂-Kreislauf statt, zu dem die Menschen durch Emissionen nur wenige Prozent beitragen. Nur über die Pflanzen erhält alles Leben die lebensnotwendige Energie. Alle Lebewesen atmen wieder das in der Nahrung gebundene Luft-Kohlendioxid aus, das die grüne Pflanze zwingend zur Nahrungsproduktion braucht. Die Atmung ist eine Umkehrung der Photosynthese:

1 Mol C₆H₁₂O₆ + 6 Mol O₂ -› 6 Mol CO₂ + 6 Mol H₂O + 675 Kal.

Mit der Atmung, zu der die Pflanze den notwendigen Sauerstoff beisteuert, setzen wir wieder das CO₂ frei und schließen zusammen mit den Mikroorganismen den Kreislauf. Nicht durch etwas mehr oder weniger CO₂-Emissionen gefährden wir das Leben, sondern durch die zunehmende Zerstörung von Vegetation. Kohlendioxid ist unverzichtbar für alles höhere Leben auf der Erde. Würde man CO₂ aus der Atmosphäre eliminieren, wäre die Erde ein toter Planet.

Literatur

beim Verfasser

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