Der Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoffkreislauf, auch bekannt als "Baustein des Lebens", transportiert Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Gestein, Boden und Gewässern. Interessieren dich die Funktionen und Auswirkungen von Fotosynthese, Atmung, Zersetzung und Fossilisation? Oder wie der Mensch den Kreislauf beeinflusst? Dann wirst du in diesem Text fündig!
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Grundlagen zum Thema Der Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoffkreislauf – Biologie
Du hast bestimmt schon einmal etwas über den Kohlenstoffkreislauf gehört. In Bezug zum Klimawandel gewinnt der Kohlenstoffkreislauf in der Schule, aber auch in den Medien immer mehr an Bedeutung. Der nachfolgende Text wird dir den Kohlenstoffkreislauf in der Biologie einfach erklären und dir zeigen, dass er im Meer, im See, im Boden und in der Luft stattfindet.
Definition des Kohlenstoffkreislaufs in der Biologie
Der Kohlenstoffkreislauf ist in der gesamten Biologie und Ökologie sehr wichtig. Aber welche Bedeutung hat dabei der Kohlenstoff? Das Element Kohlenstoff wird auch als Baustein des Lebens bezeichnet. Diese Bezeichnung kommt daher, dass alle organischen Moleküle Kohlenstoff beinhalten. Du findest Kohlenstoff beispielsweise in allen Lebewesen, in der Atmosphäre, im Wasser, im Boden und in Gestein. Dabei liegt der Kohlenstoff immer in unterschiedlichen Formen vor. In welcher Art der Kohlenstoff vorliegt, kommt immer auf die Umgebung an.
Auf der Erde gibt es eine ganz bestimmte Menge an Kohlenstoff. Der Kohlenstoff wird innerhalb eines großen ökologischen Kreislaufs ausgetauscht. Dabei wird der Kohlenstoff in Verbindung mit anderen Elementen zu verschiedenen Molekülen auf- und umgebaut. Dieser Kreislauf wird als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet.
Wie funktioniert der Kohlenstoffkreislauf?
Der Kohlenstoffkreislauf kann in vier Bereiche unterteilt werden. Dabei wird zwischen Atmosphäre, Gestein, Boden und Gewässern unterschieden. Lebewesen verbinden diese vier Bereiche miteinander, indem sie Kohlenstoff umwandeln. Prinzipiell wird der Kohlenstoff durch vier Prozesse umgewandelt: Fotosynthese, Atmung, Zersetzung und Fossilisation.
Der größte Austausch findet zwischen den Lebewesen und der Atmosphäre statt. Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre wird von den Pflanzen durch die Fotosynthese aufgenommen. Dieser wird in nutzbare Energie, in Form von Kohlenhydraten, für die Pflanzen umgewandelt. Die Pflanzen werden von pflanzenfressenden Tieren gefressen. Auf diesem Weg gelangt der Kohlenstoff in die Nahrungskette und dient als Energielieferant.
Der Kohlenstoff wird auf unterschiedlichen Wegen von den Lebewesen wieder freigesetzt. Die Freisetzung erfolgt durch die Atmung von Pflanzen und Tieren, indem Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) an die Atmosphäre abgegeben wird. Aber auch wenn Pflanzen und Tiere sterben, gelangt der Kohlenstoff zurück in den Kreislauf. Mikroorganismen bauen die Überreste von Tieren und Pflanzen ab und setzen den Kohlenstoff wieder frei.
Unter günstigen Bedingungen wird der Kohlenstoff im Boden konserviert und kann sich über viele Millionen Jahren zu Kohle, Erdöl oder Torf umwandeln. Diese fossilen Rohstoffe werden von den Menschen genutzt und zur Energieerzeugung verbrannt. Die Verbrennung der fossilen Rohstoffe führt dazu, dass der darin gebundene Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Die Einlagerung von Kohlenstoff im Boden kann zusätzlich zur Bildung von Gestein führen. Beispielsweise kann Kalkstein durch tierische Ablagerungen bei der Fossilisation entstehen.
Die gleichen Prozesse der Kohlenstoffumwandlung finden auch in Gewässern und den darin enthaltenen Lebewesen statt. Vor allem die Ozeane enthalten einen hohen Anteil an gelöstem Kohlenstoff. Das Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre gelangt in das Wasser, indem es sich in kaltem Wasser löst. Der gelöste Kohlenstoff wird wieder in die Atmosphäre freigesetzt, wenn das Wasser verdunstet.
Wie beeinflusst der Mensch den Kohlenstoffkreislauf?
Der intakte Kohlenstoffkreislauf ist Voraussetzung für ein intaktes Klima. Seit Beginn der Industrialisierung Anfang des 19. Jahrhunderts begannen die Menschen, fossile Rohstoffe zu nutzen. Diese Rohstoffe wurden und werden immer noch als fossile Brennstoffe verwendet, um die gespeicherte Energie in Form von Kohlenstoffverbindungen in Wärmeenergie oder Bewegungsenergie umzuwandeln. Durch die massive Nutzung dieser Stoffe gerät der Kohlenstoffkreislauf zunehmend aus dem Gleichgewicht. Es wird mehr Kohlenstoff durch die Verbrennung der fossilen Rohstoffe in die Atmosphäre freigesetzt, als durch die Pflanzen eingelagert werden kann. Gleichzeitig werden z. B. die Wälder kontinuierlich abgeholzt, sodass noch weniger Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufgenommen und fixiert werden kann.
Diese Gleichgewichtsverschiebung führt zu massiven Umweltproblemen. Die erhöhte Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre führt zur Umweltverschmutzung und trägt maßgeblich zum Klimawandel und zum Treibhauseffekt bei. Kohlenstoff liegt in der Luft als Kohlenstoffdioxid vor und ist ein sogenanntes Treibhausgas. Durch die erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre kann sich die Luft stärker aufheizen und die Erde erwärmt sich. Somit verstärkt die erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre den Klimawandel.
Die Abbildung verdeutlicht noch einmal den Ablauf des Kohlenstoffkreislaufs im globalen System. Die Unterteilung des Kohlenstoffkreislaufes in Atmosphäre, Wald, Gewässer, Gestein und Boden sind ebenfalls dargestellt.
Zusammenfassung des Kohlenstoffkreislaufs
Du weißt nun, warum die Fotosynthese die Basis des biologischen Kohlenstoffkreislaufs ist. Zusätzlich hast du erfahren, wie der Mensch in den Kohlenstoffkreislauf eingreift und was dies für Folgen hat. Die wichtigsten Informationen sind hier noch einmal stichpunktartig zusammengefasst.
- Definition Kohlenstoffkreislauf: Umwandlung von Kohlenstoff in verschiedene Verbindungen in der Atmosphäre, im Gestein, im Boden und in Gewässern
- Umwandlungsprozesse im Kohlenstoffkreislauf: Fotosynthese, Atmung, Zersetzung und Fossilisation
- Beeinflussung des Kohlenstoffkreislaufs durch den Menschen: Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre durch Verbrennung von fossilen Rohstoffen mit einem hohen Kohlenstoffanteil
- Probleme der Verschiebung des Kohlenstoffkreislaufs: Es wird zu viel Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid angereichert, als eingelagert werden kann.
Zur Überprüfung deines Wissens kannst du das Arbeitsblatt zum Kohlenstoffkreislauf in der Biologie bearbeiten. Somit bist du bestens vorbereitet, wenn du in der Schule ein Referat über den Kohlenstoffkreislauf halten sollst. Du kannst deinen Mitschülerinnen und Mitschülern somit den Kohlenstoffkreislauf in der Biologie einfach erklären.
Transkript Der Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoff ist ein Element, das als Baustein des Lebens bekannt ist. Alle organischen Moleküle, vom Zucker bis zur DNA, sind auf Kohlenstoff angewiesen. Es lässt sich in der Atmosphäre finden, gelöst in Meeren, und eingeschlossen in Gesteinen. Auf der Erde existiert eine ganz bestimmte Menge an Kohlenstoff. Sie wird ständig zwischen diesen Orten in einem großen ökologischen Kreislauf - dem Kohlenstoffkreislauf - ausgetauscht. Der größte Austausch findet zwischen der lebenden Materie und der Atmosphäre statt. Kohlenstoff ist in der Atmosphäre als Kohlendioxid vorhanden. Pflanzen nehmen dieses Kohlendioxid auf und wandeln es in nutzbare Energie um – in Kohlenhydrate – durch einen Prozess namens Photosynthese. Pflanzen werden von Tieren gefressen und leiten so den Kohlenstoff in die Nahrungskette. Wenn Pflanzen und Tiere atmen, wird er wieder als Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Und wenn Pflanzen und Tiere sterben, zersetzen Mikroorganismen im Boden deren Überreste. Unter den richtigen Bedingungen werden die Überreste von Pflanzen und Tieren über Millionen von Jahren zu fossilen Brennstoffen. Werden diese Brennstoffe verbrannt, wird der enthaltene Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt. Die gleichen Prozesse der Photosynthese, Atmung, Zersetzung und Fossilisation treten auch bei den Meereslebewesen auf. Die Ozeane enthalten auch große Mengen an gelöstem Kohlenstoff. Das Kohlendioxid aus der Atmosphäre löst sich in kaltem Meerwasser auf. Wenn Oberflächenwasser verdunstet, wird es wieder in die Atmosphäre freigesetzt. So zirkuliert Kohlenstoff kontinuierlich zwischen der Atmosphäre, Pflanzen und Tieren und den Ozeanen. Mittlerweile wird aber Kohlenstoff, der seit Millionen von Jahren in fossilen Brennstoffen eingeschlossen ist, viel schneller freigesetzt, als er gebildet wurde. Gleichzeitig werden die Wälder, die ihn aufnehmen, abgeholzt. Das wird sich auf das Gleichgewicht des Kohlenstoffkreislaufes auswirken, der den gesamten Planeten betrifft.
Der Kohlenstoffkreislauf Übung
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Benenne die Prozesse, welche den Kohlenstoffkreislauf antreiben.
TippsDie Zersetzung von organischem Material wird häufig von bodenbewohnenden Lebewesen durchgeführt.
Schichten organischer Materie gelangen im Lauf der Jahrmillionen immer tiefer in die Erde, wo sie unter großem Druck beispielsweise zu Kohle gepresst werden.
LösungDiese Prozesse treiben den Kohlenstoffkreislauf an und halten ihn am Laufen:
- Fossilisation
- Fotosynthese
- Zersetzung
- Atmung
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Beschreibe die Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs.
TippsAtmung und Fotosynthese sind bezüglich der Verwendung von Kohlenstoffdioxid gegensätzlich.
LösungAtmung bezeichnet die Abgabe von Kohlenstoffdioxid (auch: Kohlendioxid) an die Atmosphäre durch Lebewesen wie Pflanzen oder Tiere.
Fotosynthese ist der Prozess der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Wasser in Kohlenhydrate, der vorwiegend von Pflanzen durchgeführt wird.
Zersetzung beschreibt den Abbau pflanzlicher und tierischer Überreste durch Mikroorganismen im Boden. Dadurch wird der Kohlenstoff in lebender Materie dem Boden zugeführt.
Fossilisation heißt der Prozess der Fossilwerdung von organischer Materie. Dabei können durch genügend Druck und Hitze in tieferen Gesteinsschichten fossile Brennstoffe wie Kohle entstehen.
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Beschreibe den grundsätzlichen Ablauf des Kohlenstoffkreislaufs der Erde.
TippsBei der Fotosynthese wird Kohlenstoffdioxid in energiehaltige Kohlenhydrate umgewandelt.
Pflanzliche und tierische Überreste im Boden können unter starkem Druck und hoher Temperatur zu Kohle werden.
LösungDie meisten Lebewesen geben über die Atmung Kohlenstoffdioxid an die Atmosphäre ab. Pflanzen nehmen das Gas aus der Atmosphäre auf und wandeln es durch Fotosynthese in nutzbare Energie um. Diese Energie kann in Form von Kohlenhydraten von Tieren aufgenommen werden. In Lebewesen gebundener Kohlenstoff verbleibt dort, bis er ausgeschieden oder abgestoßen wird oder das Lebewesen stirbt. Solche Überreste werden von Mikroorganismen zersetzt und gelangen in den Boden. So zirkuliert Kohlenstoff durch die verschiedenen Ebenen einer Nahrungskette.
Organische Überreste im Boden können unter bestimmten Bedingungen im Verlauf von Jahrmillionen zu fossilen Brennstoffen umgewandelt werden. Dieser Prozess heißt Fossilisation. Bei der Verbrennung solcher Stoffe wird Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Sämtliche hier beschriebenen Prozesse sorgen dafür, dass der Kohlenstoff auf der Erde in einem großen Kreislauf zirkuliert.
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Überprüfe die folgenden Aussagen über Kohlenstoff.
TippsVier der acht Antwortmöglichkeiten sind richtig.
Auf der Erde existiert eine ganz bestimmte Menge Kohlenstoff, welche durch eine Vielzahl an Prozessen zwischen verschiedenen Orten ausgetauscht wird.
Seit der industriellen Revolution steigt der Anteil von Kohlenstoffdioxid, welcher durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, stetig an.
LösungAuf der Erde existiert eine ganz bestimmte Menge an Kohlenstoff, welche durch eine Vielzahl an Prozessen ständig zwischen den unterschiedlichen Bereichen der Erde zirkuliert. Hierbei findet der größte Austausch zwischen lebender Materie und der Atmosphäre statt.
In der Atmosphäre kommt Kohlenstoff als gasförmiges Kohlenstoffdioxid (auch: Kohlendioxid) vor. Im Oberflächenwasser der Ozeane löst es sich.
Sämtliche organische Materie auf der Erde enthält Kohlenstoff. Daher wird er auch der Baustein des Lebens genannt.
Mittlerweile wird der Kohlenstoff, der in fossilen Brennstoffen eingeschlossen ist, schneller freigesetzt als er gebildet wurde. Dadurch kann das Gleichgewicht des Kohlenstoffkreislaufs gestört werden.
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Vervollständige die Angaben zum Kohlenstoff im Meer.
TippsKohlenstoffdioxid ist ein Gas.
LösungDer Kohlenstoffkreislauf wird durch die Prozesse Fotosynthese, Atmung, Fossilisation und Zersetzung angetrieben. Genau wie auf dem Land, findet dieser Kreislauf auch im Meer statt. Ozeane enthalten gelösten Kohlenstoff. Wenn Oberflächenwasser verdunstet, erlangt dieser seinen gasförmigen Zustand und wird als Kohlenstoffdioxid (auch: Kohlendioxid) in die Atmosphäre freigesetzt. So zirkuliert Kohlenstoff kontinuierlich durch lebende Materie, Gestein, Atmosphäre und Ozeane.
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Untersuche, ob die Moleküle organisch oder anorganisch sind.
TippsDie Bezeichnung von Stoffen als anorganisch oder organisch hängt direkt mit dem Vorhandensein von Kohlenstoffatomen zusammen.
LösungSubstanzen mit Bezeichnung und Summenformel:
- Wasser, $H_{2}O$, anorganisch
- Phosphorsäure, $H_{3}PO_{4}$, anorganisch
- Glucose (Traubenzucker), $C_{6}H_{12}O_{6}$, organisch
- Sauerstoff, $O_{2}$, anorganisch
- Alanin (eine Aminosäure), $C_{3}H_{7}NO_{2}$, organisch
- Desoxyribose (Bestandteil der DNA), $C_{5}H_{10}O_{4}$, organisch
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Danke für das Video, sehr informativ