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Das Feuer erklären

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 CO₂ auf 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 CO₂ als Resultat von brennender Holzkohle beschrieb, war Jan Baptiste von Helmont, geboren im Jahre 1580 in Brüssel.¹⁰ Ihm 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 CO₂ nicht 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 CO₂ kämpfen, gehört auch der Schotte Joseph Black¹¹, 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 CO₂, 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 CO₂ äußerst wohlfühlten, und entdeckte im Gegensatz zu seinem Vorgänger Helmont, dass CO₂ der 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 Air¹² – 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 CO₂ durch Gärung, welche ja an sich auch ein Verbrennungsprozess ist - der finale Schritt der Zellatmung von Hefezellen: Hier werden Zucker und Stärke unter Luftabschluss in CO₂ umgewandelt. Darüber hinaus brachte er CO₂ jedoch nicht mit Feuer in Verbindung - mit Ausnahme seiner Beobachtung, dass große Mengen CO₂ Feuer 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 CO₂ und 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 CO₂ bereits 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 CO₂, 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 CO₂ in der Luft schwach sauer reagiert. Und sie trägt wesentlich zur Page 34Übersäuerung der Meere bei, da mehr CO₂ in der Luft dazu führt, dass auch im Wasser mehr H₂CO₃ produziert werden kann. Aber dazu kommen wir später noch.

Die vielen mehr oder weniger losen roten Fäden der Forschungsarbeiten rund um Feuer, Luft und Kohlenstoff laufen im Revolutionsjahr 1789 in Paris zusammen und münden in Antoine Lavoisiers bahnbrechendem Lehrbuch Traité Élémentaire de Chimie.¹⁴ Lavoisier führt Kohlenstoff dort als nicht metallisches Element auf, das die Eigenschaften besitzt, zu versauern und zu oxidieren – also zu verbrennen. Doch auch wenn Lavoisiers Buch das Ansehen der Chemie als Wissenschaft in vieler Hinsicht stärkte, so basieren seine Abhandlungen über Kohlenstoff auf den Ideen anderer. Dabei wird nicht ganz klar, wem für welche Ideen die Ehre gebührt. Priestley hat nicht nur die Existenz von CO₂ und dessen Eigenschaften entdeckt, sondern auch den Sauerstoff, wobei er sich diese Ehre Page 35mit Lavoisier und dem Schweden Carl Wilhelm Scheele teilen muss. 1777, 12 Jahre vor Erscheinen von Lavoisiers Lehrbuch, veröffentlichte Scheele das Buch Chemical Treatise on Air and Fire,¹⁵ in dem er die Prinzipien von Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff beschreibt. Den Sauerstoff entdeckte Scheele am 1. August 1772 beim Erhitzen von Quecksilberoxid. Heutzutage hätte Scheele seine Ergebnisse sofort publiziert, um sich den Status als Entdecker zu sichern, aber im 18. Jahrhundert ging alles langsamer vonstatten. Erst 1774 schrieb Scheele einen Brief, in dem er seine Experimente darlegte, an Lavoisier, der bereits den Status als zeitgenössischer Chemiker par excellence genoss, und bat ihn um Rat für weitere Versuche.

Zur selben Zeit beobachtete Priestley, dass Pflanzen in einer geschlossenen Kammer und unter Beleuchtung die Luft von CO₂ »reinigen« können. Nachdem die Pflanzen ihre Arbeit erledigt hatten, konnte in der Kammer eine Kerze brennen und ein Tier atmen. Auch Priestley unternahm Versuche mit der Erhitzung von Quecksilberoxid und verzeichnete ebenfalls das Freiwerden von Sauerstoff. Er veröffentlichte seine Ergebnisse 1775 und damit offiziell früher als Scheele. Ähnlich wie Scheele konsultierte Priestley den großen Lavoisier, aber ihm genügte ein Brief nicht, er reiste persönlich nach Paris und diskutierte seine Experimente vor Ort mit dem berühmten Page 36französischen Chemiker. Lavoisier hörte interessiert zu und unternahm sofort seine eigenen Versuche. Er verstand, dass Sauerstoff die Essenz des Feuers war. Die Flammen hatten keine mystische oder »essenzielle« Substanz, wie bis dahin angenommen. Er berechnete, dass die Atmosphäre zu 25 Prozent aus Sauerstoff bestand – beeindruckend nah an dem tatsächlichen Anteil von 21 Prozent. Doch hätte Lavoisier nicht großzügiger gegenüber Priestley sein und dessen Errungenschaften anerkennen sollen, ganz zu schweigen von Scheele, der trotz des Briefes aus dem Jahr 1774 nie erwähnt wird?

Lavoisier behauptete, Scheeles Brief nie erhalten zu haben, obwohl dieser bekannterweise viele Jahre später im Nachlass seiner Frau gefunden wurde.

Die Geschichte erinnert an den Brief, den Alfred Russell Wallace 80 Jahre später an Darwin schrieb, und von dem zunächst auch niemand Kenntnis gehabt haben wollte. In diesem Brief beschrieb Wallace dem weitaus bekannteren Naturwissenschaftler, der zu jenem Zeitpunkt mit dem Endspurt seines Opus Magnum Die Entstehung der Arten beschäftigt war, seine Evolutionstheorie. In diesem Fall wurde Wallace sein Teil der Ehre zuerkannt, aber es bestand auch keinerlei Zweifel daran, dass auch Darwin seit mehreren Jahren Indizien für dieselbe Theorie gesammelt hatte.

Dennoch muss man Lavoisier zugutehalten, dass er unbestritten einer der Größten der Chemie war. Mit beeindruckendem Überblick listete er die Elemente auf, die die Bausteine aller Natur sind, und entdeckte im Gegensatz zu Scheele und Priestley, dass sich beim Ver brennungsprozess tatsächlich Sauerstoff mit Kohlen stoff verband, sodass, wenn CO₂ in die Rechnung mit einbezogen wurde, eine Gewichtszunahme bei dem Reak tionsprodukt (dem Verbrannten) zu beobachten war, und keine Abnahme. 1789 – im Jahr der Revolution – veröffentliche Lavoisier sein revolutionäres Chemiebuch. Er war zwar ein Visionär der Page 37Chemie, doch leider nicht der Politik. Er unterstützte das machthabende Regiment, lehnte allerdings das Angebot ab, Finanzminister König Ludwigs des XVI. zu werden. Trotzdem wurde er vom Sog der Revolution mitgerissen und am 5. Mai 1794, wie so viele andere, Opfer der Guillotine. Einer von Lavoisiers Zeitgenossen, der Mathematiker Joseph-Louis Lagrange, wohnte der Hinrichtung bei und bemerkte hinterher lakonisch, es habe nur einen Moment gedauert, seinen Kopf abzuschlagen, doch es werde sicher ein Jahrhundert oder mehr dauern, einen solchen zu erschaffen. Auch Scheele war kein langes Leben vergönnt, er starb im Jahre 1786, gerade einmal 43 Jahre alt, an einer Quecksilbervergiftung und wurde damit ein Opfer seiner eigenen Forschung.

Priestley hingegen musste für seine Unterstützung der Revolution büßen, obwohl er auf der anderen Seite des Kanals lebte. Seine Argumente für Wissenschaft und Rationalität waren für viele starker Tobak, insbesondere weil er Theologe war, und er zog dadurch den Zorn des Bauernstandes auf sich. Als er auch noch seine Unterstützung der Französischen Revolution kundtat, lief das Fass über. Trotz seiner wissenschaftlichen Verdienste musste er 1791 in die USA fliehen, nachdem ein erzürnter Mob seine Kirche und sein Haus in Brand gesetzt hatte. Das Schicksal meinte es nicht gut mit dem Dreigespann, das das CO₂ entdeckt hatte.

Zur gleichen Zeit betrat ein weiterer großer Schwede die Bühne der Wissenschaft, Jöns Jacob Berzelius¹⁶, der letztlich diesem Buch den Namen gegeben hat. Der Übergang vom 18. zum 19. Jahrhundert war eine Page 38Revolutionsperiode für die Chemie im Allgemeinen und für den Kohlenstoff im Besonderen. Berzelius nun machte den Kohlenstoff zu C. Versehen mit der Atomnummer 12, schuf das C Klarheit in einer babylonischen Verwirrung von verschiedenen muttersprachlichen Bezeichnungen. Wie sein bekannterer Landsmann Carl von Linné einige Jahre zuvor in der Biologie die binäre Nomenklatur für alles Lebendige etabliert hatte (beispielweise Homo sapiens und Rattus norvegicus), arbeitete Berzelius an der Entdeckung weiterer chemischer Elemente und deren Benennung durch einzelne Buchstaben. Wahrscheinlich ließ Berzelius sich bei diesem Strukturierungsprozess von Linné inspirieren. Einige Stoffe mussten zwei Buchstaben bekommen. Da C bereits für Kohlenstoff stand, bekam Calcium zum Beispiel das Kürzel Ca. Berzelius führte auch die Schreibweise für die Atomanzahl in chemischen Bindungen ein. Noch heute schreiben wir H₂O, um zu verdeutlichen, dass Wasser zwei Wasserstoffatome enthält (wobei Berzelius zunächst die Schreibweise H²O verwendete).

Eben jener Berzelius schlug auch vor, dass Stoffe in organische und anorganische Stoffe eingeteilt werden sollten. Er zählte fast alle Kohlenstoffverbindungen zu den organischen Stoffen, während Salze, Metalle und Wasser als anorganisch klassifiziert wurden. Die Einteilung in die organische und anorganische Chemie haben wir beibehalten. Die organische Chemie ist dabei im weiteren Sinne auf die Sphäre des Lebendigen bezogen, auch wenn es keine messerscharfe Trennung gibt. Kurz gesagt beschäftigt sich die organische Chemie mit allen Verbindungen, die C und H enthalten, die anorganische mit dem Rest. Berzelius, Robert Boyle, John Dalton und Antoine Lavoisier formen das Quartett, das heute als Begründer der modernen Chemie gilt. Ich persönlich sehe Berzelius auch als Begründer der Stöchiometrie – aber dazu später mehr.

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Nicht nur Berzelius wollte systematisch Ordnung und Übersichtlichkeit schaffen. Der in Russland geborene Chemiker Friedrich Konrad Beilstein begann bereits im Alter von 15 Jahren mit dem Studium der Chemie in Heidelberg.¹⁷ Eines seiner ehrgeizigen und – seiner Ansicht nach – durchführbaren Projekte sollte das Auflisten aller Kohlenstoffverbindungen werden. 1881 veröffentlichte er die Erstausgabe eines Werkes, das stolze 2.200 Seiten umfasste. Es beschrieb 1.500 Verbindungen, doch schon vor der Veröffentlichung war ihm klar, dass dieses Werk unzähligen Revisionen unterzogen werden würde.

Die zweite Auflage aus dem Jahre 1886 umfasste drei noch dickere Bände, und als die dritte Auflage im Jahre 1900 in vier überdimensional dicken Wälzern erschien, musste man einsehen, dass das Thema die Möglichkeiten der Druckausgaben überstieg. Auch hier lässt sich wieder eine Parallele zu Carl von Linné ziehen, der der Meinung war, annähernd die komplette Artenvielfalt katalogisiert zu haben, als er Ende des 18. Jahrhunderts beeindruckenden 8.000 Pflanzen und 6.000 Tieren Bezeichnungen zugeordnet hatte. Daraufhin war er zu dem Schluss gekommen, dass sich die gesamte Anzahl der Arten auf diesem Planeten auf 26.500 belaufe. Heute liegen die Schätzungen bei zwischen 2 und 10 Millionen Arten, wobei wir die tatsächliche Anzahl wohl niemals erfahren werden.¹⁸ Im Gegensatz zur organischen Chemie, der es Page 40durchaus gelungen ist, Naturstoffe nachzubilden und neue Varianten davon zu entwickeln, haben wir es in der Biologie bisher noch nicht geschafft, ganz neue Arten im Labor zu züchten. Doch das ist nur eine Frage der Zeit. Die ersten synthetischen Bakterien haben bereits das Licht der Welt erblickt, und die größten Visionäre unter uns sind der Meinung, dass wir »bald« den Punkt erreicht haben, an dem die meisten organischen, C-haltigen Produkte aus synthetischen Organismen gewonnen werden und vielleicht sogar unseren Bedarf an Biotreibstoffen decken und das CO₂-Problem lösen können. Ich werde später darauf zurückkommen.

Heute wird die Systematisierung der Chemie durch die Beilstein-Datenbank fortgeführt, die größte Datenbank der Welt für organische Chemie. Nach ihr ist die Zeitschrift Beilstein Journal of Organic Chemistry benannt, in der regelmäßig neue Verbindungen und Reaktionen publiziert werden. Geschätzt gibt es per dato ungefähr genauso viele Kohlenstoffverbindungen wie Arten auf unserem Planeten: 10 Millionen. Wir werden hier nicht alle beleuchten. Auch wenn Kohlenstoffatome sich in ihrer eigenen Gesellschaft sehr wohl fühlen und sich mit bis zu 60 anderen Kohlenstoffatomen zusammentun können, ohne ein anderes Element einzuladen, kann man ihnen nicht absprechen, keine Freunde zu haben. Es ist leichter, Verbindungen aufzuzählen, die kein C in sich tragen, als Verbindungen mit C.

10Jan Baptiste (oder Jean-Baptiste oder Johannes Baptist) van Helmont (1580–1644) war einer der ersten Universalgelehrten, der den Weg zur Aufklärung mitebnete (die oft der Zeitspanne von 1650 bis 1800 zugerechnet wird, obwohl es natürlich keinen abrupten Übergang vom »dunklen Mittelalter« zur Aufklärung gibt). Er war selbst Schüler von Paracelsus, einem der großen Alchimisten, die definitiv noch mit einem Fuß im Mittelalter standen, mit dem anderen schon in der Aufklärung. Aber für unsere Geschichte sind seine Beschreibungen von CO₂, das er Sylvestergas nannte, am interessantesten, inklusive der Versuche an Pflanzen, auch wenn er einige falsche Ergebnisse aufzeichnete. Für weitere Informationen siehe: Van den Bulck, E. (1999): Johannes Baptist van Helmont. Katholieke Universiteit Leuven.

11Joseph Black (1728–1799) ist einer von vielen, die als Erfinder des CO₂ gehandelt werden. Aber wie viele Leute können dieses Gas eigentlich entdeckt haben? Die Wissenschaft ist davon geprägt, dass große Entdeckungen nach und nach gemacht werden und CO₂ kann in verschiedenen Präzisions- und Informationsstufen beschrieben werden. Außerdem werden Entdeckungen oft parallel gemacht, besonders früher, als weder das Internet noch andere blitzschnelle Publikationskanäle zur Verfügung standen. Aber Black ist ohne Zweifel einer der Erfinder der »latenten Wärme« (Energie, die beispielsweise in Kohle oder Kohlenwasserstoffen gelagert ist), und seine Ideen sind somit Vorläufer der Thermodynamik. Mehr Information zu Black und anderen großen Helden der Wissenschaft unserer Zeit: Gribbin, J. (2002): Science: A History 1543–2001, Allen Lane, New York.

12Es kann gut sein, dass der Begriff »Universalgenie« in diesem Buch inflationär gebraucht wird, aber wie soll man jemanden wie Joseph Priestley (1773–1804) sonst betiteln? In diesem Rahmen ist es unmöglich, seiner ausschweifenden Biografie gerecht zu werden. Von seinen eigenen Werken wird das folgende Wesentliche hier genannt: Priestley, J. (1772): Directions for Impregnating Water with Fixed Air. Als Vorgeschmack auf seine weitere Arbeit können folgende Werke genannt werden: The Rudiments of English Grammar (1761), A Chart of Biography (1765), Essay on a Course of Liberal Education for Civil and Active Life (1765), The History and Present State of Electricity (1767), Essay on the First Principles of Government (1768). Der Konkurrenzkampf in akademischen Kreisen war früher nicht so stark, doch wenn Priestley kein Universalgenie war, dann weiß ich auch nicht. Es mangelt nicht an Aufzeichnungen über Priestleys Leben – die beste Übersicht findet man jedoch in Collins English Dictionary – Complete & Unabridged 2012 Digital Edition.

13Schweppes ist bis heute voll im Geschäft, wenn auch heutzutage eher bekannt für sein Tonic Water.

14Antoine Lavoisier (1743–1794) ist einer der Gründerväter der Chemie und revolutionierte das Fach im Revolutionsjahr 1789 mit der Veröffentlichung des ersten richtigen Lehrbuchs für Chemie: Traité Élémentaire de Chimie. Eine Übersicht über seine wesentlichen Schriften zu Kohlenstoff und Sauerstoff findet sich in der Essaysammlung: Essays, on the Effects Produced by Various Processes On Atmospheric Air; With A Particular View To An Investigation Of The Constitution Of Acids, trans. Thomas Henry (London: Warrington, 1783). Einfacher ist es jedoch, auf folgende Übersicht über Lavoisier und andere große Namen der Chemie zuzugreifen: Eddy, M. D., Newman, W. R., Mauskopf, S. (2014): Chemical Knowledge in the Early Modern World. University of Chicago Press.

15Es lässt sich nicht bestreiten, dass die Schweden einige große Namen in der Wissenschaft zu verbuchen haben, besonders in der Zeit zwischen 1700 und 1900, in der Schweden als wissenschaftliche Großmacht galt. Viele von ihnen hatten auch mit Kohlenstoff zu tun, und Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) war ohne Zweifel einer der Bedeutendsten. In den Archiven von Lavoisiers Witwe fand man den Brief des Chemikers, der bewies, das Scheele schon vor Priestley und Lavoisier zu wichtigen Erkenntnissen gekommen war. Das belegt auch sein Buch Chemical Treatise on Air and Fire aus dem Jahr 1777. Dies zeigt wiederum nur einen Bruchtteil von dem, woran Scheele gearbeitet hat. Er schrieb Artikel über eine bedeutende Anzahl von Elementen des Periodensystems und stattete auch der organischen Chemie einen Besuch ab. Er schrieb über Fette, Milchzucker, und analysierte die Säure in Rhabarber. Ein weiteres Universalgenie? – Zumindest in der Domäne der Chemie.

16Jöns Jacob Berzelius (1779–1848) gilt zusammen mit Lavoisier als einer der Gründerväter der Chemie als eigenständiger Wissenschaft (wie auch Robert Boyle und John Dalton). Berzelius fügte dem Periodensystem viele neue Elemente hinzu. Des Weiteren trug er mit seiner Forschung massiv zum Verständnis der Verhältnisse zwischen den Elementen bei. Mehr zu Berzelius in: Karolinska Institutet 200 år – 1810–2010.

17Friedrich Konrad Beilstein (1838–1906), geboren in St. Petersburg, mit deutschen Wurzeln. Schüler Liebigs und Begründer des Beilstein Journal of Organic Chemistry.

18Und wieder Carl von Linné. Mit seiner Katalogisierungsarbeit leistete er einen großen Beitrag, aber man muss gestehen, dass er ordentlich daneben lag. Heutzutage lässt sich nicht sagen, wie viele Arten existieren, auch weil der Artenbegriff ein problematischer ist, besonders was einfache und einzellige Organismen betrifft. Nach heutigem Stand sind ungefähr 1,7 Millionen Arten beschrieben. Die totale Anzahl liegt wahrscheinlich bei 8 Millionen oder mehr. Mehr über Carl von Linné und die Anzahl der Arten in: Hessen, D. O. (2000): Carl von Linné. Gyldendal. Mora, C. et al. (2011): How Many Species Are There on Earth and in the Ocean? Plos Biology DOI: 10.1371/journal.pbio.1001127

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Ein Meister der Verkleidung: das Weiche, Harte, Runde

Verbindet Kohlenstoff sich mit Wasserstoff, stellt dies den Übergang von der anorganischen zur organischen Chemie dar.¹⁹ Dies ist eine wichtige Trennlinie innerhalb der Welt der Chemie. Ausgangspunkt der organischen Chemie ist die für lebende Materie typische Verbindung von Kohlenstoff mit Wasserstoff. Das einfachste organische Molekül ist das Methan (CH₄), häufig ein Produkt lebender Organismen, trotzdem aber kein Bestandteil des Lebens selbst. Ein Großteil der schier unendlich vielen organischen Verbindungen sind synthetischen Ursprungs. Das Wort organisch muss deshalb aus einem anderen Blickwinkel betrachtet werden als in anderen Bereichen. So gilt zum Beispiel das Insektizid DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan), eine Kohlenstoff-Chlor-Verbindung, bestehend aus zwei sechseckigen Kohlenstoffringen mit angelagerten Chloratomen, aus Sicht eines Chemikers als organische Verbindung, während die biologisch-organische Landwirtschaft gerade dadurch gekennzeichnet ist, dass weder DDT noch andere Spritzmittel zur Anwendung kommen. Die Chemiker berufen sich, was die Bezeichnung »Organische Chemie« angeht, auf eine 120 Jahre alte Tradition. Bemerkenswert ist aber auch der Molekülaufbau des DDTs, denn während die chemische Formel Cl₅H₉C₁₄ lautet, also 5 Chlor-, 9 Wasserstoff- und 14 Kohlenstoffatome, stellt man die Strukturformel in der Regel wie folgt dar:

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Abbildung 3: DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) – ein organisches Molekül, das in der biologisch-organischen Landwirtschaft aber verboten ist. In jeder Ecke der Sechsecke sitzt ein Kohlenstoffatom.

Es wird bei dieser Darstellung davon ausgegangen, dass in jeder Ecke und an jeder Bindung ein Kohlenstoffatom sitzt, was zu den insgesamt 14 Kohlenstoffatomen führt. In der organischen Chemie ist das derart selbstverständlich, dass man sich nicht einmal mehr die Mühe macht, die C-Atome einzuzeichnen. Genauso selbstverständlich ist die Tatsache, dass die 9 nicht erkennbaren H-Atome die vierte Bindung jedes C-Atoms, und die Doppelstriche Doppelbindungen darstellen (Kohlenstoff hat vier sog. Außenelektronen und damit vier normale Bindungsmöglichkeiten).

Grundsätzlich kommt Kohlenstoff in der Natur in drei reinen Formen vor: Graphit und Diamant sind schon lange bekannt, erst in jüngerer Zeit entdeckt wurde hingegen das Fulleren. Jeder weiß, dass sowohl das »Blei« im Bleistift als auch der Diamant aus reinem Kohlenstoff bestehen, und es fasziniert uns, dass das extrem Weiche und Billige und das extrem Harte und Teure aus derselben Substanz bestehen sollen. Dass der Diamant nicht nur in die Welt des Kohlenstoffs gehört, sondern aus reinem Kohlenstoff besteht, konnte bereits 1772 von Lavoisier nachgewiesen werden. Wenig später stellte sich dann heraus, dass das »Blei« im Bleistift, kein Blei war, wie man lange geglaubt hatte, sondern ebenfalls Kohlenstoff. Sowohl der Diamant als auch der Graphit geben bei ihrer Verbrennung die ihrem Gewicht entsprechende Menge CO₂ ab.

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Einer der weltweit größten und bekanntesten Diamanten ist der Koh-i-Noor, der mit seinen ursprünglich 793 Karat über 5.000 Jahre hinweg von einem Herrscherhaus zum anderen weitergegeben wurde.²⁰ Der allergrößte bisher bekannt Diamant ist der Cullinan-Diamant mit 3.106 Karat (620 Gramm) im ungeschliffenen Zustand, gefunden 1905 in Südafrika. Die seit Jahrhunderten andauernde Faszination für Diamanten ist sicher durch ihre Seltenheit und Beständigkeit zu erklären. Dabei ist auch die Lebensdauer von Diamanten nicht unbegrenzt, ja, man kann sie sogar verbrennen. Ihr Schmelzpunkt liegt bei 3.200 °C und ihr Siedepunkt bei 4.200 °C. An der Luft brennt ein Diamant aber schon bei 800 °C, nach der simplen Reaktionsgleichung C+O2=CO2. Aber wie kann ein und derselbe Stoff Ausgangspunkt dieser Extreme sein? Noch verblüffender als diese Frage ist die Tatsache, dass aus Graphit Diamant werden kann und aus Diamant Graphit, vorausgesetzt man setzt sie der richtigen Kombination aus Druck und Temperatur aus.

Der älteste Graphit, den wir kennen, ist möglicherweise auch ein Beweis für das älteste Leben hier auf diesem Planeten. Er wurde in einer Schicht von 3,8 Milliarden Jahre alten Sedimentgesteinen in Grönland gefunden und ist so rein, dass man damit schreiben kann. Er enthält das Isotop ¹³C (auf das wir noch zu sprechen kommen werden), was ein starker Hinweis auf seinen biologischen Ursprung ist. Einen abschließenden Beweis dafür werden Page 44wir aber nie erhalten. Der Graphit besteht aus Schichten von zu Sechsecken verbundenen Kohlenstoffatomen. Die Schichten werden von schwachen Bindungskräften zusammengehalten, sodass sie sehr leicht getrennt werden können. Dafür reicht schon die Reibung der Mine auf dem Papier. Im Diamant hingegen sind die Kohlenstoffatome in einem nahezu unangreifbaren Netz miteinander verbunden und bilden so einen der härtesten Stoffe, die wir kennen.

Abbildung 4: Diamant, Graphit und Fulleren sind die drei Hauptformen von reinem Kohlenstoff. Während der Diamant seine souveräne Stärke durch das Kristallgitter erhält, ist die Weichheit des Graphits auf dessen Schichtstruktur zurückzuführen. Das Fulleren hingegen ist wie ein Fußball aufgebaut und setzt sich aus 60 C-Atomen zusammen.

Diamant entsteht unter extremem Druck bei hohen Temperaturen. Natürliche Diamanten stammen sozusagen aus Druckkammern tief im heißen Inneren der Erde. Bei synthetischen Diamanten versucht man diese Bedingungen nachzuahmen, in dem man Kohlenstoffgas im Labor hohen Temperaturen und hohem Druck aussetzt. Chemisch gesehen sind auch das echte Diamanten, aber da sie auf künstlichem Wege entstanden sind, werden sie auf dem Edelsteinmarkt viel weniger geschätzt. Es ist interessant zu betrachten, welchen Vorrang das Natürliche vor dem Künstlichen hat. Das Natürliche gilt als »echt«, während das Synthetische als »unecht« dargestellt wird – egal ob das Produkt chemisch gesehen Page 45komplett identisch ist. Vermutlich akzeptieren wir nur in der Pharmazie die synthetischen Kopien der für die Gesundheit relevanten komplexen natürlichen Kohlenstoff verbindungen.

Es wird heftig diskutiert, wer als erster künstliche Diamanten hergestellt hat. Sicher ist, dass es bereits 1955 der General Electric Company gelungen ist, künstliche Diamanten in großem Stil herzustellen, wodurch der Wert der Firmenaktien an einem Tag um 300 Millionen Dollar anstieg.²¹ Heute übersteigt die jährliche Produktion synthetischer Diamanten 100 Tonnen pro Jahr. In erster Linie werden sie für industrielle Zwecke verwendet.

Mehr als 200 Jahre nach Lavoisier stellte sich heraus, dass der Kohlenstoff mit noch weiteren Überraschungen aufwarten kann. Kohlenstoff existiert nämlich nicht nur in den reinen Formen Diamant und Graphit. 1985 wurde eine völlig andere Form einer C-Verbindung entdeckt: Das Fulleren. Der merkwürdige Name leitet sich von dem noch seltsameren ursprünglichen Namen Buckminsterfulleren ab, benannt nach dem Architekten Richard Buckminster Fuller²², der fantastische Kuppeln entwarf, die aus Fünf-und Sechsecken zusammengesetzt waren.

Die Entdeckung des ersten Fullerens basierte auf einem Zufall. Es war das unerwartete Nebenprodukt eines komplizierten Versuches. Um langkettigen Kohlenwasserstoffen auf die Spur zu kommen, wie sie im Inneren von Sternen entstehen, wurden die Prozesse im Inneren eines Gasplaneten simuliert. Bei der Auswertung des Experiments entdeckte man Moleküle aus exakt 60 Page 46Kohlenstoffatomen. Ein chemisches Retortenbaby, das sich in allem von der bis dato bekannten Kohlenstoffchemie unterschied. Kohlenstoff kann sehr vielfältige Strukturen mit einer extrem unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen annehmen. Die Tatsache, dass all diese Moleküle exakt 60 Atome enthielten, deutete darauf hin, dass es sich um eine spezielle Struktur, eine Art geschlossene Einheit, handelte. (Leider ist das nichts, was man so einfach unter dem Mikroskop untersuchen kann.)

Die Versuche wurden in mehreren Varianten wiederholt, und die geheimnisvollen 60-C-Moleküle tauchten dabei immer wieder auf. Die einzig logische Erklärung für 60 reine C-Atome war ein fußballähnliches Molekül, bestehend aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken. Harold Kroto und seine Mitarbeiter an der Rice University in Texas beschrieben die Struktur als »… ein Polygon mit 60 Ecken und 32 Oberflächen … dieses Objekt wird für gewöhnlich wie ein Fußball … beschrieben.« Dieser »Fußball«, abgebildet »on Texas grass«, wurde unter Chemikern zu einer Ikone. Auch der Titel des Artikels blieb unvergesslich: 60-C: Buckminsterfulleren.²³ Die Zeitschrift Nature stellte im November 1985 ihre Titelseite für eine Abbildung des ikonischen Kohlenstofffußballs zur Verfügung.

Wie durch einen Zufall entstand zur gleichen Zeit in der Wüste von Arizona die ultimative, von Menschenhand geschaffene Fulleren-Kuppel. Die Zeichnung und die Pläne für Biosphäre 2 waren allerdings bereits gemacht, als das Fulleren das Cover des Wissenschaftsmagazins schmückte. Das Gebäude selbst entstand jedoch erst 1987. Biosphäre 2²⁴ war der Versuch, ein sich selbst erhaltendes, Page 47intaktes Ökosystem in einer Glaskuppel zu schaffen. Das aufsehenerregende Gebäude beinhaltete 1900 m² Regenwald, 850 m² Meer mit einem Korallenriff, 1300 m² Savanne, 1400 m² Wüste und 2500 m² Ackerland. Integriert war ein fortschrittliches Zirkulationssystem für Luft und Wasser. Die Energie wurde durch die Sonneneinstrahlung durch das Glas gewonnen. Am 26. September 1991 schlossen sich die Türen hinter den vier Männern und vier Frauen, die zwei Jahre in dieser Blase verbringen sollten. Streng genommen war Biosphäre 2 damit auch ein soziales Experiment, bei dem vieles überraschend gut funktionierte und das sowohl in biologischer als auch in sozialer Hinsicht. Die acht Menschen kamen gut mit dem zurecht, was sie selbst im Glashaus anbauten und ernteten, und auch das Zusammenleben bot keine größeren Probleme. Der Kohlenstoffkreislauf hingegen war deutlich schwerer zu handhaben.

Während in der Biosphäre 1, also auf der Erde, die Konzentration an CO₂ und O₂ seit vielen Tausend Jahren auffallend konstant ist, gab es bei den Gaskonzentrationen in dem geschlossenen Ökosystem ein stetes Auf und Ab. Die Tagesschwingungen der CO₂-Konzentration konnten 600 ppm übersteigen, mit niedrigen Werten am Tag (wenn die Pflanzen CO₂ aufnahmen) und hohen Werten in der Nacht. Noch drastischer wurde es im Winter während der geringsten pflanzlichen Aktivität. Die CO₂-Konzentration erreichte in dieser Zeit mit 4.500 ppm einen Wert, der dem Zwölffachen des Niveaus auf der Außenseite entsprach. Da man sich im Inneren eines Treibhauses mit einem Lüftungssystem befand, trug das CO₂ nicht zur Erwärmung bei, und als Gas ist CO₂ nicht giftig.

Negativ war allerdings die zunehmende Müdigkeit bei den acht Bewohnern der Kuppel, die allerdings nicht auf Page 48die hohe CO₂-Konzentration, sondern auf den geringen Sauerstoffgehalt zurückzuführen war, der von 21 Prozent auf 4,5 Prozent gesunken war. Dieser Wert entspricht einem Aufenthalt in 4000 Metern Höhe, wo Gedanken und Bewegungen wie durch Sirup gebremst werden. Ein Erklärungsansatz war, dass der kohlenstoffhaltige Boden CO₂ abgab und gleichzeitig wegen des bakteriellen Abbaus organischer Materialien O₂ verbrauchte. Das Fundament bestand überdies aus kalkhaltigem Beton; dieser fixierte CO₂ infolge einer Reaktion frei, der wir noch mehrfach begegnen werden: Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O.

Diese Reaktion wirkte sich nicht sonderlich auf den extrem hohen CO₂-Gehalt der Kuppelatmosphäre aus. Sie fungierte aber über den im CO₂ gebundenen Sauerstoff als zusätzlicher O₂-Fänger. Zusätzlich stieg auch die Konzentration des dritten großen Treibhausgases an, nämlich des Lachgases (N₂O). Die Konzentration erreichte mit der Zeit lebensbedrohliche Werte, wodurch sich der interne Stickstoff-Kreislauf veränderte. Schließlich musste man regelrecht mogeln und Frischluft in die Kuppel blasen, um weitermachen zu können. Es ist nicht einfach, die Natur zu kopieren, aber trotz aller Fehler und Einschränkungen war Biosphäre 2 ein beeindruckender Versuch.

Einige Jahre nach meinen eigenen, bescheidenen Studien des Kohlenstoffzyklus am See in den Norwegischen Wäldern, besuchte ich selbst Biosphäre 2. Die Wüste Arizonas ist ein krasser Gegensatz zu dem feuchten, kohlenstoffreichen System in den nordischen Wäldern, da allein der kohlenstoffreiche Waldboden und die meterdicken Moorschichten bei kaltem und feuchtem Klima große Kohlenstoffspeicher darstellen. Die trockene, heiße Wüste Arizonas ist hingegen, wie alle Wüsten, extrem kohlenstoffarm. Im Sand ist nicht viel Kohlenstoff, und das wenige, was in den genügsamen Kakteen und Kreosotbüschen gebunden ist, wird beinahe vollständig an die Atmosphäre abgegeben, wenn die Pflanzen in dem heißen Page 49Klima absterben. Deshalb war der Kontrast zwischen der sonnenverbrannten Landschaft auf der Außenseite und der feuchten Fruchtbarkeit im Inneren von Biospäre 2 ein wirklich beeindruckendes Erlebnis. Die Kuppel mit ihren kleinen Ökosystemen ist noch heute intakt und einen Besuch wert. Sollte die Glaskuppel eines Tages verschwinden, wird es nur wenige Jahre dauern, bis all der lebenspendende Kohlenstoff, der unter der Kuppel so lange geschützt war, in der Sonne oxidiert wird und gemeinsam mit dem Wasser in der Atmosphäre verschwindet. So gesehen kann diese als düstere Metapher für ein Worst-Case-Szenario für »Biosphäre 1« (die Erde) angesehen werden, auch wenn dort der Treibhauseffekt eine der größten Bedrohungen darstellt. Zugegeben, ich bin, ausgehend vom Fulleren, etwas abgeschweift, aber Biosphäre 2 ruft uns in Erinnerung, wie sehr wir einen ausbalancierten Kohlenstoffkreislauf mit den richtigen Konzentrationen von Sauerstoff, Methan und Lachgas zu schätzen wissen sollten – und dass wir das alles auch in der »Biosphäre 1« keineswegs als selbstverständlich ansehen sollten.

Wir können den Extrempunkten Diamant und Graphit als Hauptformen des reinen Kohlenstoffs in der Natur nun also das Fulleren als dritte – äußerst seltene – Form hinzufügen. Diesen drei Reinformen steht eine schier unüberschaubare Menge von Kohlenstoffverbindungen, Kombinationen und Kunststoffen gegenüber. Der Kohlenstoff ist nicht nur das essenzielle Molekül des Lebens, sondern auch der Rohstoff für unzählige neue Hightech-Produkte. Was reine C-Produkte angeht, kann man heutzutage auch Fullerene mit 70 C-Atomen herstellen, und mit den Kohlenstoffnanoröhren und dem einschichtigen Graphen ist ein Füllhorn neuer Anwendungsmöglichkeiten entstanden.²⁵ Einige der neuen wissenschaftlichen Page 50Entdeckungen sind die Früchte langwieriger zielgerichteter Arbeit, während andere reine Zufallsprodukte sind.

Der Traum von einem Kohlenstoffblatt mit der Dicke eines einzigen Atoms war nicht neu, aber als er realisiert wurde, geschah das mehr oder weniger zufällig. Es war im Jahre 2004, als Andre Geim und Konstantin Novoselov, etwas vereinfacht formuliert, eine einzelne Schicht Kohlenstoff mithilfe eines Klebebandes von einem Stück Kohle ablösten. Sie erhielten dafür im Jahr 2010 den Nobelpreis für Chemie. Die ultradünne Kohlenstoffschicht, bestehend aus den bekannten Sechsecken, hat überraschende Eigenschaften, was Bruchhärte und Leitungsfähigkeit angeht. Graphen ist 300 Mal härter als Stahl, fast durchsichtig, ein extrem guter elektrischer Leiter, flexibel und nicht brennbar. Kohlenstofffasern vereinen zudem geringes Gewicht und Stärke und sind in diesen Punkten allen Metallen überlegen. Ihr Einsatzbereich ist wie der des Graphens schier unendlich. Einige Forscher träumen davon, Graphen mit dem genetischen Code zu kombinieren, um so einen DNA-basierten Chip herzustellen. Dieser könnte die Datenspeicherung revolutionieren; er wäre die ultimative Synthese aus belebter und unbelebter Materie. Die DNA ist im Grunde ja nichts anderes als ein digitaler Code mit ungeahnter Informationsvielfalt. Basierend auf einem einfachen Alphabet aus nur vier Buchstaben sind alle Informationen, die für die Entstehung eines Menschen nötig sind, in einem mikroskopisch kleinen Zellkern gespeichert. Die Variationsmöglichkeiten, die es braucht, um 7 Milliarden einzigartige Menschen entstehen zu lassen, ergeben sich aus der variierenden Reihenfolge dieser vier Buchstaben. Und die Informationsmenge, die in der DNA in einem einzigen kleinen Zellkern gespeichert ist, entspricht in etwa 6.000 Büchern mit jeweils 500 Seiten. Diese Art der Speicherung ist unendlich effektiver als die Technik selbst des modernsten Supercomputerchips … Was dann erst mit einer Ein-Schicht-Kohlenstoff-Basis Page 51möglich wäre? – Viele unserer klügsten Erfindungen sind letztlich Kopien von Lösungen, die die Evolution schon vor Millionen von Jahren gefunden hat.

Als Lager für Wasserstoffgas in gasbetriebenen Motoren stellen außerdem Kohlenstoffnanoröhren einen der vielversprechendsten Ansätze dar. Darüber hinaus finden sie als Basis für elektrochemische Detektoren, zur Bestimmung von Metallen und in der Pharmaindustrie Anwendung. Bis jetzt haben wir nur über reine Kohlenstoffverbindungen gesprochen. Richtig interessant sind jedoch all die anderen Verbindungen, die Kohlenstoff sonst noch eingehen kann. Wie schon erwähnt, gibt es etwa 10 Millionen unterschiedliche Kohlenstoffverbindungen, und täglich kommen neue hinzu. Der Kohlenstoff hat zweifelsohne noch ein paar Asse im Ärmel, mit denen er uns in den nächsten Jahren überraschen wird.

19Die Systematik der anorganischen Chemie ist gut beschrieben in: Nelson, D., Cox, M. (2010): Lehninger Biochemie 4. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg, New York.

20Diamanten leben ewig, auf jeden Fall nach unseren Maßstäben, wenn sie nicht einer extremen Kombination aus Druck und Hitze ausgesetzt werden. Eric Roston geht auf dieses Thema in seinem Buch The Carbon Age ein. Die Geschichte des Koh-i-Noor und anderer mythenumwobener Diamanten findet sich in vielen Büchern, die sich aber alle auf ein grundlegendes Werk beziehen: Streeter, E. (1882): The great diamonds of the world. Their history and romance. Ein Auszug findet sich hier: http://famousdiamonds.tripod.com/koh-i-noordiamond.html. Mehr über synthetische Diamanten und die moderne Verwendung von reinem Kohlenstoff findet sich in: Krueger, A. (2010): Carbon Materials and Nanotechnology. Wiley-VCH, Weinheim.

21Krueger, A. (2010): Carbon Materials and Nanotechnology. Wiley-VCH, Weinheim

22Richard Buckminster Fuller (1895–1983) spielt in unserer Geschichte keine besondere Rolle und trug nicht weiter zum Verständnis der Kohlenstoffchemie bei. Er ist aber verantwortlich für die Konstruktion seltsamer Gebäude, die wie eine Vorahnung der Struktur der Fullerene erschienen, weshalb diese Moleküle seinen Namen erhielten.

23Kroto, H. W. et al (1985): C₆₀: Buckminsterfulleren. Nature 318:162–163.

24Biosphere 2 war vermutlich das extravaganteste, visionärste Experiment, das je auf der Erde ausgeführt wurde. Eine Art CERN der Ökologie. Ob der Ansatz realistisch war, darf diskutiert werden, das Experiment selbst fand aber viel Aufmerksamkeit. Am besten beschrieben ist Biosphere 2 in: Poynter, J. (2008): The Human Experiment. Two Years and Twenty Minutes Inside Biosphere 2. Thunders’s Mouth Press, New York.

25Ravve, A. (2012): Principles of polymer chemistry. Springer, New York. Ein Meister der Verkleidung: das Weiche, Harte, Runde

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Die Nachkommen der Nylonstrümpfe

Der Erfolg des Kohlenstoffs als chemischer Partner ist unter anderem dem Umstand geschuldet, dass er sowohl Einzel- als auch Doppel- oder Dreifachbindungen sowie je nach Bedarf auch Kombinationen dieser Verbindungen eingehen kann, solange alle vier Elektronen einen passenden Partner finden. Bei der Kohlensäure hat der Kohlenstoff sich mit einer Doppelbindung an das eine freie Sauerstoffatom gebunden, und an die beiden anderen mit einer Einzelbindung, da diese jeweils noch eine Einzelbindung zum Wasserstoff haben. Beim CO₂ existiert eine Doppelbindung zwischen dem C und beiden Sauerstoffatomen. Nun könnte man vermuten, dass es bei Kohlenmonoxid (CO) vier Bindungen gibt, doch stattdessen finden wir hier eine Dreifachbindung, weswegen das Molekül schwach geladen ist. Das trägt dazu bei, dass sich CO unangenehm effektiv an das Hämoglobin der Blutzellen bindet. Weil CO den Konkurrenzkampf gegen O₂ in den Blutzellen gewinnt, wirkt es im Gegensatz zu CO₂ giftig.

Die Lieblingsposition von C scheint sich in einer Ringstruktur zu liegen, wie wir sie in Graphit, Graphen und Fulleren beobachten können, aber auch in Millionen anderen organischen Strukturen wie DDT. Derartige Kohlenstoffringe sind zentral für alle Lebewesen und sie finden sich auch in zahlreichen synthetischen Komponenten – nicht zuletzt in der Pharmaindustrie. Ungefähr 75 Prozent aller organischen Moleküle enthalten zyklische Verbindungen in der einen oder anderen Form – oft eine Kombination aus verschiedenen Formen. Wenn die Kohlenstoffatome sich in derartigen Familiengruppen zu sechst zusammenfinden, gehen sie oft eine Doppelbindung zu dem einen Nachbarn und eine Einzelbindung zu dem anderen ein – und nur unsere Fantasie kann eingrenzen, Page 53womit sie sich mit ihrer freien, letzten Bindung verknüpfen. Eines der einfachsten Moleküle aus dieser enormen Gruppe ist Benzol, erstmalig beschrieben von August Kekulé im Jahre 1865.

Abbildung 5: Benzol – die rechte, vereinfachte Version ist für die Eingeweihten unter uns.

Auch wenn das Molekül eine einfache Struktur aufweist, so war doch ihre Entdeckung ein Meilenstein der Wissenschaft. Kekulé leitete die Molekülstruktur auf Grundlage seiner Theorie darüber her, welche Bindungen die Elektronen auf der äußeren Schale logischerweise eingehen müssten. Wobei er diese Bindungen »Verwandtschaftseinheiten« nannte. Kekulé gehört zu den »Bekehrten«, die nach der Offenbarungserfahrung einer großartigen Vorlesung ihr eigentliches Wissenschaftsfeld verlassen haben. Justus Liebig inspirierte Kekulé dazu, sein Architekturstudium aufzugeben und sich der Chemie zu widmen. Eben dieser Liebig war auch der Lehrer Friedrich Konrad Beilsteins, des Mannes also, der mit der Klassifizierung aller organischer Verbindungen begann. Wir werden später noch auf Liebig zurückkommen, der auch den Autor dieses Buches inspiriert hat.

Benzol wurde bereits 1825 aus Steinkohleteer gewonnen – von keinem geringen als Michael Faraday. Etwas später wurde es in Benzen umbenannt – nicht zu verwechseln jedoch mit dem Benzin, das wir heutzutage Page 54in unsere Tanks füllen, welches eine Mischung aus unterschiedlichen, verzweigten Kohlenwasserstoffen mit vier bis zwölf Kohlenstoffatomen ist. Die Bezeichnung Benzol etablierte sich nach und nach, und hinter dem charakteristischen, beinahe süßlichen Geruch steckte die Verbindung C₆H₆. Aber welches Verhältnis diese C’s und H’s zueinander hatten, blieb zunächst ein Mysterium. Wie auch bei dem viel später entdeckten Fulleren gab es keine logische Struktur, die eine stabile Verbindung ergeben hätte. Erst 1865, fand der »Herr der Ringe«, Kekulé, der mittlerweile Professor an der Universität in Gent, Belgien, war, die Lösung, angeblich im Traum. In jenem Traum drehten die Moleküle sich zusammen zu einer Schlange, die sich in den Schwanz biss – die Ringstruktur. Kekulés Erzählung weist, glaubt man berufenen Quellen, die eine oder andere Schwäche auf, aber er beschrieb damit auf jeden Fall die erste einer ganzen Reihe aromatischer Strukturen, die den Benzolring als gemeinsamen Nenner haben, und ihre Verwandten, welche das Fundament von drei Vierteln der gesamten organischen Chemie darstellen.

Der Begriff organische Chemie klingt für Unwissende vielleicht komisch, und im Detail ist sie hochkomplex. Dennoch ist diesem Gebiet eine wunderbare Logik und Symmetrie zu Eigen, ganz zu schweigen davon, dass sie fast alles um uns herum betrifft. Hat man erst einmal die Grundprinzipien der organischen Chemie verstanden – und hier sind vor allem die Bindungseigenschaften des Kohlenstoffs und dessen Hang zu Sechserringen zentral – fügt sich vieles in ein logisches Muster ein. Nun soll das hier kein Buch über organische Chemie werden, doch bevor wir den Kohlenstoffatomen in die Labyrinthe des Kohlenstoffzyklus folgen, sollten wir rasch noch einen Blick auf die Chemie im Allgemeinen werfen.

Die wichtigsten Gruppen organischer Moleküle sind Kohlenwasserstoffe, aromatische und zyklische Verbindung Page 55(die zahlreichen Verwandten des Benzols), Alkohol (mehr als man glaubt) und heterozyklische Verbindungen. Die grundlegende Logik der Kohlenstoffchemie ist einfach und folgt einem klaren System.²⁶ Kohlenwasserstoffe bilden die einfachste und übersichtlichste Kategorie. Hier muss man nur die Übersicht über C und H behalten. Unter den einfachsten finden wir Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈) und Butan (C₄H₁₀) – bei allen handelt es sich um brennbare Gase. Dann folgen die Stoffe, die nach der Anzahl der Kohlenstoffe, die sie in sich tragen, benannt wurden: Pentan (5), Hexan (6), Heptan (7), Oktan (8) usw. Darauf folgen die Alkene, ähnlich in Namen und Struktur, allerdings mit einer Doppelbindung zwischen den C-Atomen und folglich weniger Platz für die H-Atome (Ethen – C₂H₄, Propen, Buten ...). Und die nächste Gruppe? – Richtig, die Alkine, mit einer Dreifachbindung zwischen den C’s. Als erstes kommt natürlich Ethin (C₂H₂), in der Umgangssprache besser bekannt als Acetylen. Diese drei Gruppen gehören zu den aliphatischen Verbindungen.

Die aromatischen Verbindungen sind, wie gesagt, Ringverbindungen, wie Benzol, Toluol, Naphtalin usw. Sie alle formen mit ihren C-Atomen ein Sechseck oder Fünfeck in allen möglichen Kombinationen und mit »Schwänzchen« aus anderen chemischen Verbindungen in einer unendlichen Anzahl von Varianten. Oft haben diese Stoffe einen charakteristischen Geruch. Kinder finden diese Dünste häufig herrlich; wir Erwachsenen haben gelernt, dass sie giftig oder gefährlich sind. Benzin beispielsweise riecht unmissverständlich nach organischer Chemie.

Die Alkohole folgen bei der Namensgebung der Logik der Alkane, angefangen beim Methan: Methanol, Ethanol Page 56usw. Ihr gemeinsamer Nenner ist, dass ein Wasserstoffatom gegen eine OH-Verbindung ausgetauscht wurde, also von Ethan (C₂H₆) zu Ethanol (C₂H₅OH). Wir können hier nur an der Oberfläche kratzen, genauer gesagt betrachten wir die grundlegendsten Bausteine der organischen Chemie, die man zu beinahe allem zusammensetzen kann.

Direkt nach Ende des Ersten Weltkrieges begannen Chemiker, organische Moleküle so vielfältig zusammenzusetzen und miteinander zu kombinieren, wie es der Natur nicht im Traum eingefallen wäre. In erster Reihe stand Hermann Staudinger²⁷. Er interessierte sich für Polymere. Der Begriff setzt sich aus poly (viele) und mer (Teil) zusammen, und kann für alles verwendet werden, was aus mehreren Teilen zusammengefügt wurde. Staudinger arbeitete zunächst mit Polymeren, die in Naturstoffen vorkamen. Er konnte nachweisen, dass augenscheinlich große und komplexe Moleküle, wie jene in Stärke, Protein, Zellulose oder Gummi, eigentlich aus langen Ketten kleinerer Moleküle bestehen, die in kovalenten Bindungen miteinander verknüpft sind – wie Perlen auf einer Schnur.

Auch wenn Staudinger und seine Kollegen neue Polymere für neue Zwecke erschufen, so waren Polymere an sich keine Neuheit in der Natur. Wie bei so vielem Anderen hatte die Evolution im Laufe von 100 Millionen Jahren auch Polymere hervorgebracht, robuste Strukturen in Form von beispielsweise Zellulose (einem Polymer aus Glukose) oder Proteinen (Polymeren aus 20 verschiedenen Aminosäuren). Im Labor konnten nun neue Stoffe zu neuen Polymeren mit erstaunlichen Eigenschaften Page 57verknüpft werden. Viele bildeten lange, strapazierfähige und leichte Fasern – wie zum Beispiel Nylon oder Polyester. Nylon erblickte das Licht der Welt am 28. Februar 1935, in der Firma DuPont²⁸, und damit fiel der Startschuss zu einem industriellen Märchen mit der Kohlenstoffchemie in der Hauptrolle. Angefangen bei Nylonstrümpfen, Zahnbürsten und Fallschirmen, eröffnete sich ein ganz neuer Markt für Kunstfasern. DuPont selbst hatte 1802 mit der Produktion von Schießpulver klein angefangen, doch er erkannte schnell, dass sich in anderen Zweigen der Chemie große Möglichkeiten boten. 1927 verfünffachte (!) das Unternehmen sein Forschungsbudget, und es sollte Früchte tragen. Heute zählt DuPont zu einem der größten Chemieunternehmen weltweit.

Im Mittelpunkt von DuPonts und Staudingers Erfolg stand der 15 Jahre jüngere Wallace Carothers. Er war maßgeblich an der Entwicklung des Nylons sowie des Neoprens und des Polyesters beteiligt. Neopren war das erste vollsynthetische Gummi und ist allen Surfern und Tauchern als Material eines Kälteschutzanzuges bekannt. Polyester besteht aus Ketten von Estern. Carothers konnte sich nicht im Glanz seines Erfolges sonnen, ganz im Gegenteil – er war nicht der Meinung, viel Erfolg im Leben gehabt zu haben. Am 28. April 1937 checkte er in ein Hotel in Philadelphia ein, mixte sich einen Cocktail aus Zitronensaft und Kaliumcyanid – KCN, auch hier wieder das C, doch diesmal in schlechter Gesellschaft. Die Verbindung von Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff ergibt ein kristallines Salz, das wie Zucker aussieht, aber äußerst giftig ist. Das war Carothers Ende, doch das Polymer-Märchen ging weiter.

Es ist höchste Zeit, in der Geschichte des Kohlenstoffs das Gleichgewicht zwischen den Geschlechtern Page 58herzustellen. Stephanie Kwolek kam nach Ende des Zweiten Weltkrieges zu DuPont. Auch sie war im Kielwasser des Nylons auf der Suche nach neuen Materialien. Sie nahm einen Sechserkohlenstoffring mit einem Amin und einer Carboxylsäuregruppe als Seitenketten als Ausgangspunkt. Diese Verbindung ließ sich nur in Schwefelsäure auflösen. Dabei wurde sie zu einer breiigen Masse, aus der, indem man sie durch kleinste Löcher presste, wiederum ultrastarke Fasern gewonnen werden konnten. Der Prozess wurde in mehreren Durchläufen vereinfacht und verbessert, und resultierte schließlich in einem Produkt namens Kevlar. Dieser Stoff lässt sich in Massenproduktion herstellen, ist leichter als Stahl, und dennoch fünf Mal so stark, und wird als Ersatz für Stahl in schusssicheren Westen und Helmen, Seilen, Kabeln, Pardunen und anderen Produkten verwendet, die eine Kombination von Stärke und geringem Gewicht voraussetzen. Außerdem verträgt Kevlar Temperaturen von bis zu 400 °C. Vielleicht sind es Graphit, Diamant und Kevlar, die die stärksten Formen des Kohlenstoffs repräsentieren?

Bevor uns die Cleverness der Menschheit noch komplett zu Kopf steigt, möchte ich an dieser Stelle noch einmal daran erinnern, dass uns auch hier die Natur zuvorgekommen ist. Die Polymere in den Seidenfäden der Spinne bestehen aus Ketten großer Proteine mit einer Bruchstärke, die, im Verhältnis zu ihrer eigenen Dicke, selbst der des Kevlars um Längen voraus ist. Um das noch zu toppen, hat dieses Polymer auch noch einen antimikrobiellen Effekt und ist trotzdem vollständig biologisch abbaubar. Auf der Suche nach cleveren Lösungen in den Bereichen Design oder Medizin wandelt der Mensch nur auf den Spuren der Evolution, zum Beispiel durch Forschung zur Nachahmung der Polymerchemie der Spinne.

26Siehe: Nelson, D., Cox, M. (2010): Lehninger Biochemie 4. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg, New York.

27Hermann Staudinger (1881–1965) war ein deutscher Chemiker. Er ver stand nicht nur die Struktur der Polymere, sondern erkannte auch ihre Anwendungsmöglichkeiten. Die Essenz seiner 1920 veröffentlichten, zentralen Arbeit Über Polymerisation ist die Hypothese, dass Gummi und andere Polymere wie Stärke, Zellulose und Proteine aus relativ kleinen Molekülen bestehen, die durch kovalente Bindungen miteinander zu langen Ketten verbunden sind.

28DuPonts großer Forschungseinsatz im Bereich der Polymerchemie sind gründlich dokumentiert: http://cha4mot.com/p_jc_dph.html.

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Kohlenstoff auf Rädern

Als die Sonne den Morgennebel nach einer verregneten Nacht vertrieb, ruderte ich auf »meinen« See hinaus um die Flaschen mit braunem, kohlenstoffhaltigem Seewasser herauszuholen, dem radioaktiver Kohlenstoff zugesetzt worden war, um die Photosynthese der Algen zu messen. Während die Algen beschäftigt waren, schlugen wir das Wasser von der Plane und packten unsere Mikroskope und den anderen experimentellen Krimskrams aus unserem provisorischen Labor zwischen den Nadelbäumen zusammen. Dann holte ich die Flaschen. Sie sind aus Quarz, der Rest ist aus Plastik oder Bakelit, den Früchten der Polymerchemie. Wir stapelten alles in Pappkartons – die auch aus Polymeren in Form von Zellulose bestehen. Diese Kartons wiederum stellten wir in den Kofferraum des heruntergekommenen universitätseigenen Volkswagens Caravelle – und was wäre dieses Auto ohne Kohlenstoffe und Polymerchemie?

Im Jahre 2010 überschritt die Anzahl der Autos auf unserem Planeten eine Milliarde; jedes Jahr werden 60 Millionen neue produziert. Vor hundert Jahren gab es kaum Autos, auch wenn Henry Ford bereits im Jahre 1905 mit der Herstellung seines legendären T-Ford begonnen hatte.²⁹ Ein mit Dampf betriebener Wagen erblickte bereits im Jahre 1769 das Licht der Welt, doch es blieb beim Prototyp. Auch dessen Nachfolger kamen nicht besonders weit. Ein Wasserstoffauto rollte seine Page 60ersten Meter im Jahre 1807, aber niemand entwickelte die Idee weiter. Der Stammvater der Evolution des modernen Autos war vielleicht der Viertaktmotor von Nikolaus Otto oder Karl Benz’ Dreitaktmotor. Beide basieren auf der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in mechanische Energie durch Verbrennung. Essenziell für das Auto ist Benzin – oder Diesel, der von Rudolf Diesel in seinem ersten Viertaktmotor verwendet wurde.

Das Rad ist ohne Frage eine zentrale Komponente jedes Fahrzeugs, und plötzlich wurde dieses Rad neu erfunden.³⁰ Das heißt: Nachdem das kompakte Holzrad vor zirka 4.000 Jahren seine erste Runde drehte (und die Leute es auch davor sicherlich wie die alten Pyramidenbauer gehandhabt hatten, die tonnenweise Steine über runde Holzstämme rollen ließen), folgten das deutlich leichtere Rad mit Speichen und das metallbeschlagene Rad, bevor das Gummirad Ende des 19. Jahrhunderts übernahm. Eine Fahrt mit dem ersten kompakten Gummirad muss sich noch angefühlt haben, wie mit einem Gummiball übers Holz zu rollen – sicher eine wenig bequeme Reise auf den holprigen Wegen der damaligen Zeit. Ende der 1880er Jahre wurde das aufblasbare Gummirad entwickelt. Beim Wettrennen um seine Erfindung kamen der Brite John Dunlop und die französischen Michelin-Brüder zeitgleich über die Ziellinie. In beiden Fällen war ein Fahrrad involviert: Bei John Dunlop handelte es sich um das Dreirad seines Sohnes, das mit aufblasbaren Reifen bezogen wurde, während in Frankreich »natürlich« ein Radrennfahrer mitten im Geschehen stand. Eduard Michelin entwickelte den ersten austauschbaren Fahrradreifen, der kurz darauf in Massenproduktion ging. Der Prototyp saß angeblich am Rad, das das erste Rennen Paris-Brest-Paris im Jahre 1891 gewann, 12 Jahre vor der ersten Tour de France.

Ob nun Dunlop oder Michelin – der mit Luft gefüllte Page 61Reifen war eine Erleichterung für Reisende auf allen Landstraßen, ob sie sich nun mit Autos oder Fahrrädern fortbewegten, ganz zu schweigen vom Pferdefuhrwerk, das zu jener Zeit immer noch das bevorzugte Fahrzeug war. Gummi soll hier unser Stichwort sein, und synthetischer Gummi enthält verschiedene Polymere aus auf Petroleum basierenden Monomeren, die zu langen elastischen Ketten verknüpft werden.

Ein Autoreifen enthält überdies noch mehr reinen Kohlenstoff in Form von Ruß. Jedes Jahr werden bei der unvollständigen Verbrennung von Kohle und Petroleumprodukten mehr als 8 Millionen Tonnen Ruß produziert – 70 Prozent davon landet in Autoreifen, die wiederum zu zwei Dritteln aus Ruß bestehen. Der Ruß in den Reifen ist für ihre Farbe und ihre Strapazierfähigkeit verantwortlich. Ruß, auch als Black carbon bekannt, wird auch in anderen Bereichen als Pigment verwendet. Batteriekomponenten, Plastikkarosserien und Interieur-Gegenstände werden ebenfalls aus Materialien hergestellt, in denen C eine zentrale Rolle spielt.

Als Henry Ford die Massenproduktion seines Ford-Modells aufnahm, kam niemand auf den Gedanken, dass der damalige Inbegriff des menschlichen Fortschritts und der Freiheit eine dunkle Seite haben sollte. Diese Seite ist uns nun bekannt, und abgesehen von Staus, Unfällen und größerer Nachfrage an Asphalt ist vor allem das Restprodukt der Verbrennung, das CO₂, das Problem. Das »Michelin-Männchen« ist nicht nur das Symbol eines Reifenherstellers, sondern auch das eines übergewichtigen Menschen mit all seinen Schwimmringen – der zweifelhafte Dank gebührt einer unheiligen Kombination aus Unmengen von falschem C und dem Umstand, dass das Auto es uns ermöglichte, sich zu bewegen und dabei die Energieverbrennung vom eigenen Körper auf das Benzin zu übertragen.

Und apropos »falsches« C – Synthetischen Gummi Page 62kennen wir auch in Form von Weingummi, Gummibärchen, sauren Apfelringen und anderen Süßigkeiten. Sie alle enthalten jede Menge Kohlenstoffchemie und Süßstoffe wie Glycerin (C₃H₈O₃) oder Zuckeralkohole (die wohlgemerkt nicht betrunken machen, sondern höchstens einen Zuckerschock auslösen können) wie beispielsweise Sorbit (C₆H₁₄O₆) und dessen Verwandte Mannit, Lactit, Xylit und andere. Ihre Struktur ähnelt der des gewöhnlichen Zuckers (C₆H1₂O₆), sie zeichnen sich jedoch durch eine intensivere Süße aus. Dabei haben sie denselben Energiegehalt wie gewöhnlicher Zucker. Süßstoffe wie Cyclamat und Aspartam (die beispielsweise in Limonade vorkommen) hingegen sind energieärmer als gewöhnlicher Zucker, aber ebenfalls um Größenordnungen süßer. Ob diese »süßen Früchte« der Kohlenstoffchemie wegen ihres synthetischen Charakters schädlicher als Zucker sind – darüber lässt sich streiten. Einen Michelin-Stern haben sie jedenfalls nicht verdient.

29Die Geschichte des Autos ist ein integrierter Bestandteil der neueren Geschichte des Kohlenstoffs, vor allem weil Autos zum Großteil für die Umwandlung fossilen Kohlenstoffs in CO₂ verantwortlich sind, aber auch, weil die Automobilindustrie den Fortschritt der synthetischen Kohlenstoffchemie angekurbelt hat – hier sei nur an den Reifen zu denken. Die Geschichte des Autos wurde in unzähligen Werken wiedergegeben, beispielsweise hier: Glancey, J. (2013): The car. The history of the automobile. Carlton Books.

30Locke, I. (1995): The wheel and how it changed the world. Amazon.

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Plastic fantastic

Unsere Kultur basierte lange auf dem Kohlenstoff in Holz und Stein, bevor das Eisen die erste Stelle einnahm. Danach kam die Plastikgesellschaft. Plastik besteht wie Nylon, Gummi und viele andere Stoffe, die wir als Kunststoffe zusammenfassen, aus C-Polymeren. Dem Plastik sind in der Regel aber verschiedene Additive zugesetzt. Plastik war – als es mit Macht sowohl auf den industriellen als auch den Haushaltsmarkt drängte – ein Sinnbild des Fortschritts. Die alten, schweren Holzwerkzeuge wurden ausgemustert, denn mit Plastik war alles leichter. Seither dominiert das Plastik in einer Weise unseren Alltag, wie es selbst die visionärsten Polymerpioniere nicht erwartet hätten.

Schon 1908 wurde das gehärtete Plastikmaterial Bakelit entwickelt, benannt nach seinem Erfinder Leo Baekeland. In den 1930er Jahren bekam das Bakelit Konkurrenz durch andere synthetische Plastikarten wie Polyethylen, Polystyren, Polyvinylchlorid – und eben Nylon. Das alles war aber erst der Anfang: Das Plastik fand seinen Weg nicht nur in die Küchenschubladen aller Haushalte, sondern wurde fortan auch für Isolationsmaterial, Schläuche, Flaschen, Brillen, Möbel, Bodenbeläge, Spiele, Kleider und noch vieles mehr genutzt. Plastik war der Inbegriff der Modernität, der Beweis dafür, dass die Welt sich weiterentwickelte. Das Öl, das Plastik, ja die gesamte organische Chemie zeigten, wie der Mensch mit seinem Wissen den Erfindungsreichtum der Natur kopieren konnte, besonders, was die Verwendung von Kohlenstoff anging.

Die Begeisterung für diese Modernität flaute in den 1970er Jahren etwas ab, als bekannt wurde, dass diese Entwicklung auch eine Kehrseite hatte. Das Plastik geriet in Misskredit. Zuerst, weil es im Gegensatz zu den Rohstoffen der Natur etwas »Unechtes« symbolisierte. Der Page 64Holzlöffel in der Küchenschublade war etwas »Echtes«, der Plastiklöffel daneben nicht unecht, aber doch »künstlich«, sodass dem Plastikexemplar alsbald etwas Falsches anhaftete. Magne Myrmo ist als der letzte Weltmeister in die Annalen eingegangen, der noch auf Holzskiern unterwegs war. Während der WM 1974 in Falun gewann er Gold über 15 Kilometer Langlauf, mit einer Sekunde Vorsprung auf Gerhard Grimmer, der bereits mit Glasfaserskiern gelaufen war. Nach dieser WM konnte auf Holzskiern niemand mehr gewinnen. Trotzdem wurde lange und heiß darüber diskutiert, ob man Kunststoff-Ski überhaupt zulassen sollte. Inzwischen ist der Kunststoff aus dem Skisport überhaupt nicht mehr wegzudenken, sodass dieser Sport mehr als alle anderen den Übergang von den natürlichen Polymeren (wie Holz und Wolle) zu den synthetischen (Kunststoffski, Kohlefasersohlen und -stöcke, Kleidung aus Hightech-Kunstfaser, ganz zu schweigen vom Skiwachs) symbolisiert.

Der Begriff »natürlich« (wie die Natur) hat den gleichen Anspruch wie das Wort »echt«. Plastik ist als Kunststoff nicht sonderlich umweltfreundlich, der Hauptkritikpunkt ist aber das »Unechte«. Besitzer von Holzbooten betonen immer, dass ihre Boote eine Seele haben. Dabei ist gerade der Wald interessanterweise der Ausgangspunkt für immer mehr synthetische Polymere, Kohlenwasserstoffe und Plastikarten auf der Basis von Zellulose oder Lignin.

Plastik, insbesondere in Form von Plastiktüten, ist zum Symbol unserer Wegwerfgesellschaft geworden.³¹ Dabei Page 65wird auch Plastik von Bakterien, Pilzen und Sonnenlicht zersetzt, nur dass dieser Prozess extrem lange dauert und das Material nur unvollständig abgebaut wird. Öl kann viel schneller zersetzt werden, da es »natürlich« ist – es gibt genug Ökosysteme, in die auf natürliche Weise immer wieder Öl eingetragen wird, sodass dank der Evolution längst Bakterien entstanden sind, die diese Energiequelle auch nutzen können. Plastik hingegen ist harte Kost, besonders Hartplastik. Noch an der Nordküste Spitzbergens wird Plastikmüll angespült. Im Sommer 2014 war ich für ein Forschungsprojekt dort und musste am Strand durch farbenfrohen Kunststoff waten: Russische Ketchupflaschen, britische Plastikdosen, norwegische Plastiktüten waren neben den Resten von Seilen und Netzen nur ein Teil des ausgesuchten Sortiments. Die Trennung zwischen dem Echten und dem Künstlichen ist dabei gar nicht so einfach, denn das Öl ist ebenso natürlich, wie der Baum, aus dem es entsteht, und warum sollte sich das ändern, wenn man den Rohstoff raffiniert oder weiter veredelt? Trotzdem wirkt ein orangefarbener Plastikkanister an einem arktischen Strand immer fremder und weniger natürlich als ein angeschwemmter Baumstamm. Plastik ist einfach überall. Jedes Jahr werden zwischen 500 Milliarden und einer Billion Plastiktüten produziert (Stand 2014). Ein Teil davon wird glücklicherweise recycelt, aber noch immer landet der weitaus größere Teil auf Müllkippen oder in den Meeren. Als 1999 das Meer aus Plastik entdeckt wurde, das im Stillen Ozean eine Fläche größer als die Landfläche Norwegens einnimmt, begannen bei vielen die Alarmglocken zu läuten. Das Meer aus Plastik ist dabei gar nicht so einfach zu sehen, da es vorwiegend aus kleinen Plastikfragmenten besteht, was die Sache natürlich nicht besser macht. Nach einer Schätzung der Page 66Vereinten Nationen aus dem Jahr 2009 landen jedes Jahr etwa 6,4 Millionen Tonnen Abfall im Meer: aktuell treiben demzufolge etwa 100 Millionen Tonnen Müll in den Weltmeeren – der Großteil davon Plastik. Eine weitere Schätzung ergab 2015, dass die Küstenstaaten der Welt jedes Jahr 275 Millionen Tonnen Plastikmüll produzieren und dass zwischen 5 und 12 Millionen Tonnen davon im Meer landen.³² Auch wenn die Tüten mit der Zeit zerfallen, löst das nicht das Problem, jedenfalls nicht für die kommenden Generationen von Seevögeln, die das Mikroplastik entweder direkt oder über die Nahrungskette aufnehmen.

Als kleiner Junge war ich einmal auf der Vogelinsel Runde. Die Vogelschwärme boten vom Meer aus einen überwältigenden Anblick. Am besten erinnere ich mich aber an die Geräusche. An das Wahnsinnsorchester der Dreizehenmöwen, die zu Tausenden an der weißgesprenkelten Felswand brüteten. Ich war seither noch ein paar Mal auf der Insel, und jedes Mal hat mich das Leben, das ich dort vorfand, in seinen Bann gezogen. Kurz vor Ostern dieses Jahres war ich zuletzt auf Runde, auf einer Konferenz über die Zukunft unserer Meere und Meeresvögel. Wir fuhren auch da mit dem Schiff um die Insel herum, doch dieses Mal war es still. Kaum eine Dreizehenmöwe war zu sehen, ja, nicht einmal ein Tordalk. Wo sonst an die 5000 Sturmvögel brüteten, war jetzt kahler Fels, und die Skarveura, früher einmal die Heimat der weltweit größten Kolonie der Krähenscharbe, lag kalt und leer da. Silent spring auf dem Vogelfelsen.³³ Noch am selben Abend erklommen wir den Gipfel der Lundeura – und die Papageientaucher waren zum Glück noch da.

Die Heringsbestände haben sich zum Wohl dieser Page 67Vögel gerade rechtzeitig wieder erholt. Die Papageientaucher sind so etwas wie die Kanarienvögel der Meere. So, wie Kanarienvögel die Grubenarbeiter vor gefährlichen Methankonzentrationen warnen, die diese selbst nicht bemerken können, hatten uns die Jahre mit den verhungerten Papageientaucherküken nur allzu deutlich gezeigt, dass in den Tiefen unserer Meere etwas fundamental in Unordnung geraten war. Wir hatten den dichtesten Fischbestand der Welt durch Überfischung beinahe ausgerottet. Die eingebrochenen Populationen von Möwen, Sturmvögeln, Tordalken und Krähenscharben zeigen uns nun weitere Veränderungen in den Meeren an, die wir mit bloßem Auge nicht erkennen können.

Nur wenige Vogelarten scheinen gegen diese Entwicklung immun zu sein. So die Basstölpel, die die neue Zeit nutzen und mittlerweile überall auf der Insel farbenfrohe Nester aus Nylonseilen bauen. Aber warum ist die Situation gerade für die Seevögel so dramatisch? Die Antwort ist komplex, denn sowohl die Überfischung als auch der Klimawandel spielen eine Rolle. Die Bestände der Seevögel schwankten schon immer, der kollektive Niedergang ist aber ein dramatisches Warnzeichen. Lange galt die Verschmutzung durch ausgelaufenes Öl als Hauptbedrohung für die Seevögel – und das aus gutem Grund. Mittlerweile sieht es aber so aus, als wäre das Öl auch in Form von Plastik eine ernsthafte Bedrohung für die Vogelwelt.

Auf YouTube finden sich herzerweichende Szenen von toten und sterbenden Albatrosjungen mit Plastik im Magen. Die Sturmvögel, die auf der Jagd nach Plankton und anderem Futter weite Strecken über das Meer fliegen, nehmen bei der Nahrungsaufnahme häufig Plastik mit auf. Das kann ein Grund für die dramatische Abnahme des Bestandes sein, die weltweit zu beobachten ist. In einer Studie fanden sich Plastikfragmente in 95 Prozent der untersuchten Vogelmägen. Ein Ort, an dem die Sturmvögel häufig auf Nahrungssuche gehen, ist die Nordsee. In die Page 68gelangen jährlich etwa 20.000 Tonnen Abfall, drei Viertel davon Plastik. Etwa 15 Prozent davon treiben an der Oberfläche, zum Nachteil für die Sturmvögel. 70 Prozent sinken auf den Meeresboden und beeinträchtigt die dort lebenden Tiere und Pflanzen. Das Plastik, das an unsere Strände gelangt, macht nur 15 Prozent des gesamten Plastiks im Meer aus. Dazu kommt noch das Mikroplastik, die Mikrometer großen Plastikkügelchen, die zu einem neuen Must have in Zahncreme, Hautcreme und Schleifmitteln geworden sind.

Auch eine Reihe anderer Tierarten nimmt Plastik auf, und selbst Mikroplastik gelangt in die Nahrungskette. Plastik enthält eine ganze Reihe von organischen Umweltgiften wie PCB, PAK, Pestizide, bromierte Flammschutzmittel und andere organische, kohlenstoffreiche Moleküle. Besonders berüchtigt sind einige Weichplastikprodukte für ihre Phtalate, Ester der Phtalsäure, die die unschöne und nicht beabsichtigte Eigenschaft haben, hormonaktiv zu sein und damit die natürliche Wirkung von Hormonen zu hemmen. Der Körper deutet die Phtalate fälschlicherweise als Östrogene, was im schlimmsten Fall zu Fortpflanzungsstörungen führt.

Als Alan Weisman 2007 seinen vielfach ausgezeichneten Bestseller The World without us schrieb,³⁴ fokussierte er sich auf das Thema, wie schnell unsere Spuren ausgelöscht werden würden, sollten wir einst aussterben. Das Plastik wird aber überleben und wie ein letzter Zeuge unserer Zivilisation Jahrtausende überdauern. Ich weiß nicht, ob Weisman wirklich in allen Punkten Recht hat, ich bilde mir ein, dass die Pyramiden, die schon 4.000 Jahre vor dem Plastik existierten, zumindest als Ruinen auch noch 4.000 Jahre nach dem Verschwinden des Plastiks vorhanden sein werden. Aber das ändert nichts an seiner Kernaussage. Es dauert etwa 20 Jahre, bis eine Plastiktüte Page 69vollständig zersetzt ist, was allerdings nichts nützt, solange ständig neue Tüten produziert werden. Plastikflaschen und Einmalwindeln brauchen für die Zersetzung vermutlich 400–500 Jahre, und ein Nylontau, das im Jahr 2000 ins Meer geworfen wird, bleibt etwas bis ins Jahr 2500 erhalten. Vertäut man – mit anderen Worten – ein Holzboot mit einem Nylontau, wird das Tau noch vorhanden sein, während Boot und Anleger längst als das CO₂ in die Atmosphäre entschwunden sind, aus dem das Holz einst entstand.

Mit diesem etwas düsteren Seitenblick auf die Nachteile der Beständigkeit des Plastiks verlassen wir die synthetischen Polymere, ohne ein abschließendes moralisches Urteil zu fällen. Der Kohlenstoff hat uns durch die Polymerchemie zweifellos Produkte mit fantastischen Eigenschaften geschenkt, ohne die die Welt, wie sie heute ist, undenkbar wäre. Plastik ist nur eines von vielen Beispielen für Produkte, die im Übermaß problematisch werden und deutlich machen, dass es zu viele Menschen gibt, auf jeden Fall zu viele, die irgendetwas aus Kohlenstoff herstellen wollen.

31Nur wenige Dinge symbolisieren die Abkehr vom Technologieoptimismus besser als das Plastik. Vom Wundermittel und der Speerspitze der Modernität, wurde es – vor allem im Westen – zum Problemmüll. Der zunehmende Konsum der weiter wachsenden Weltbevölkerung äußert sich in immer höheren Müllbergen, doch während sich der organische Müll zersetzt und die dabei anfallenden Methangase als Biogas genutzt werden können, akkumuliert sich das Plastik. Mehr dazu in: Eriksen, T. H. (2011): Søppel. Avfall i en verden av bivirkninger. Aschehoug. Jambeck, J. R. et al. (2015): Plastic waste inputs from land into the ocean. Science 437: 768–771.

32Jambeck, J. R. et al. (2015): Plastic waste inputs from land into the ocean. Science 437: 768–771.

33Hessen, D. O. (2014): Harvest magasin.

34Weisman, A. (2008): Die Welt ohne uns. Piper.