Dag Olav Hessen - C -Die vielen Leben des Kohlenstoffs

5Es gibt viele Bücher über die verschiedenen Kohlenstoffzyklen, ganz zu schweigen von den zahllosen Artikeln. Eines der am besten lesbaren und doch wissenschaftlich korrekten ist: Archer, D. (2010): The Global Carbon Cycle. Princeton University Press. Viele von Archers Vorlesungen sind als Podcasts abrufbar. Eine gute Übersicht findet sich auch in: Falkowski, P. et al. (2000): The global carbon cycle: A test of our knowledge of Earth as a system. Science 290: 291–296.

6Die menschliche Evolution ist sowohl biologisch als auch kulturell enger mit dem Feuer verknüpft, als uns bewusst ist. Eine aktualisierte Darstellung der menschlichen Entwicklung, die auch diesen Aspekt beinhaltet, bietet: Harari, Y. N. (2015): Sapiens. A brief history of humankind . Harper Collins, New York. In diesem Buch wird auch die Rolle des Kohlenstoffs für die kulturelle Evolution angesprochen.

7Wrangham, R. (2009): Catching fire – how cooking made us human . Profile Books.

8Libby, W. F. (1969): Radiocarbon dating. Chemistry in Britain , Dec. 1969: 548–552.

9Die Datierung von Höhlenkunst ist ein ebenso spannendes wie umstrittenes Thema. Wer waren die ersten, die Asiaten oder die Europäer? Moderne Menschen oder Neandertaler? Was stellte die Kunst dar? Metaphysische Sehnsüchte, Rituale, Gebete oder waren die Werke einfach nur Ausdruck purer Lust am Zeichnen? Vermutlich werden wir auf diese Fragen niemals Antworten erhalten. Außerdem hat das Thema nur am Rand mit dem Kohlenstoff zu tun. Gute Übersichten über die Datierung finden sich in: Valladas, H. et al. (2001): Palaeolithic paintings: Evolution of prehistoric cave art. Nature 413: 479. Whitley, D. (2009): Cave Paintings and the Human Spirit. The Origin of Creativity and Belief . Prometheus. http://en.wikipedia.org/wiki/Cave_painting; https://de.wikipedia.org/wiki/Höhlenmalerei (beide geöffnet am 24.06.2019).

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Obwohl die Faszination für Feuer und seine sichtbaren Reste wie Holzkohle, Asche und Ruß als solches verständlich war und ganz praktische Gründe hatte, stieß doch das unsichtbare Endprodukt CO 2auf größeres wissenschaftliches Interesse. Ja, es war ein wundersames Rätsel, wie sich ein schweres Holzscheit einfach so in Luft auflösen konnte und nur einen dünnen Hauch von Asche hinterließ, der mit einem Windstoß im Nichts verschwand.

Auch hier können wir uns erlauben, die alten Griechen zu übergehen, und wagen den Sprung von 40.000 Jahren vor unserer Zeit hinein in ein Europa, das sich mit großen Schritten auf die Zeit der Aufklärung zubewegte. Der erste, der einsah, dass zwischen Feuer, Sauerstoff und Kohlenstoff eine Schicksalsverbindung bestand, und der erste, der CO 2als Resultat von brennender Holzkohle beschrieb, war Jan Baptiste von Helmont, geboren im Jahre 1580 in Brüssel. 10Ihm wurde auch die Ehre zuteil, als Erfinder des Wortes Gas gehandelt zu werden. Helmont machte Versuche an Pflanzen und wog die Erde, in der sie wuchsen, sowohl vor als auch nach der Wachstumsphase. Das Gewicht der Erde änderte sich nicht, aber die Pflanzen waren schwerer geworden. Was war der Grund für diese Gewichtszunahme? Wasser, lautete Helmonts Schlussfolgerung, die Pflanzen Page 31bekamen Wasser, und dieses wiederum verschwand. Bezüglich dieser Schlussfolgerung könnte man, zumindest im Lichte der aktuellen Erkenntnisse, ein bisschen Respekt vor Helmont verlieren, der in seine Überlegungen CO 2nicht mit einbezogen hatte. Alle Forscher treten in die Fußstapfen ihrer Vorgänger, doch es ist unwahrscheinlich, dass Helmonts Entdeckungen allgemein bekannt waren. Das Rad wird verblüffend oft neu erfunden, und zu jener Zeit waren neue wissenschaftliche Erkenntnisse nicht einfach mit ein paar Mausklicks zu finden und herunterzuladen.

Zu denjenigen, die um einen Platz auf dem Siegertreppchen für die Entdeckung von CO 2kämpfen, gehört auch der Schotte Joseph Black 11, geboren im Jahre 1728 und seit 1756 Professor der Anatomie und Chemie(!). Scharfsinnig, wie er war, registrierte er, dass Kalkstein, dem Säure zugeführt wird, ein Gas produziert, das er »fixierte Luft« nannte. Er kam zu dem Schluss, dass es sich dabei um dasselbe Gas handelt, das wir ausatmen. Ein weiterer Pionier, der in die unsichtbare Welt der Gase vordringen wollte, war der Engländer Joseph Priestley. Priestley und Black waren gleichen Alters, doch Priestley hatte noch ein paar Talente mehr als sein Namensvetter: Er war Theologe, Philosoph, Chemiker und Pädagoge. Seine Ideen zum Utilitarismus inspirierten zentrale Denker wie Jeremy Bentham, John Stuart Mill und Herbert Spencer. Page 32Der Utilitarismus beschreibt vereinfacht, dass alle Handlungen und Dinge die höchst mögliche Zufriedenheit für eine höchst mögliche Anzahl Individuen zum Ziel haben sollten (und zwar nicht etwa Zufriedenheit im hedonistischen Sinne, sondern in Form der Möglichkeit, die eigenen Ziele zu verwirklichen).

Es ist nicht auszuschließen, dass Priestley Kenntnis von Blacks Entdeckungen hatte, doch erst die Gespräche mit Benjamin Franklin Ende des 18. Jahrhunderts inspirierten ihn dazu, sich voll und ganz der Wissenschaft zu widmen. Priestley wies nach, dass CO 2, das beispielsweise bei der Gärung von Bier entstand, in besonders hoher Konzentration Feuer und auch Tiere ersticken konnte. Mit Interesse vermerkte er außerdem, dass Pflanzen sich in CO 2äußerst wohlfühlten, und entdeckte im Gegensatz zu seinem Vorgänger Helmont, dass CO 2der Hauptfaktor für das Wachstum von Pflanzen war. Damit war er dem großen Kohlenstoffzyklus, dem Wechsel zwischen Photosynthese und Respiration (Zellatmung), auf der Spur. Er war außerdem der Meinung, dass das Gas beinahe unendlich viele Anwendungsmöglichkeiten hatte. 1772 verfasste er den Artikel Directions for Impregnating Water with Fixed Air 12– das Ur-Rezept für »Sprudel«, also Mineralwasser. Er ging davon aus, dass Mineralwasser eine Reihe von Page 33Anwendungsmöglichkeiten bot, sowohl gesundheitlicher Art als auch in anderen Bereichen. Priestley hätte an dieser Stelle das Fundament für eine bedeutende Industrie legen können, doch stattdessen übernahm ein Einwanderer aus der Schweiz namens Johann Jacob Schweppe die Idee. Im Jahre 1792 etablierte er das London Soda Water Business . 13

Priestley gewann sein CO 2durch Gärung, welche ja an sich auch ein Verbrennungsprozess ist - der finale Schritt der Zellatmung von Hefezellen: Hier werden Zucker und Stärke unter Luftabschluss in CO 2umgewandelt. Darüber hinaus brachte er CO 2jedoch nicht mit Feuer in Verbindung - mit Ausnahme seiner Beobachtung, dass große Mengen CO 2Feuer erstickten.

Die Bläschen im Bier – und auch in Schweppes-Getränken – werden im Volksmund Kohlensäure genannt, obwohl Kohlenstoff erst dann eine schwache Säure bildet, wenn er sich mit Sauerstoff zu CO 2und dann mit Wasser verbindet.

Auch beim »Sauerstoff« allein ist es trotz des Namens mit der Säurewirkung nicht weit her. In der Kohlensäure bindet der Kohlenstoff die beiden H-Atome und den Sauerstoff des Wassers zusätzlich zu den beiden Sauerstoff-Atomen, die es im CO 2bereits gab (siehe Abb. 2).

Abbildung 2: H 2 CO 3 , wahrscheinlich die häufigste und wichtigste Säure der Welt, wenngleich auch eine der schwächsten.

Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen CO 2, Wasser und Kohlensäure: CO2+H2O=H2CO3.

Sauer reagiert diese Verbindung, weil sie die beiden Wasserstoffatome als Protonen (H +) freisetzen kann – was chemisch gesehen die Haupteigenschaft einer Säure ist.

C, O und H können unendlich viele Verbindungen eingehen, aber genau diese Reaktion ist die wichtigste, nicht zuletzt für Wasser. Sie liefert den Grund dafür, dass Süßwasser im Gleichgewicht mit dem CO 2in der Luft schwach sauer reagiert. Und sie trägt wesentlich zur Page 34Übersäuerung der Meere bei, da mehr CO 2in der Luft dazu führt, dass auch im Wasser mehr H 2CO 3produziert werden kann. Aber dazu kommen wir später noch.