Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium – wie Gustav Tschermak vor 150 Jahren den Kohlenstoffkreislauf beschrieb

Fr, 26.06.2015 - 11:26 — Redaktion

Gustav Tschermak (1836 – 1927) war im Wien der Donaumonarchie Professor für Mineralogie und Petrographie, einer der prominentesten Vertreter und Begründer einer Wiener Schule dieser Fachgebiete. Tschermaks fachlicher Hintergrund war die Chemie, er wandte deren Methoden zur Untersuchung von Mineralien, Gesteinen und Meteoriten an und hatte damit bahnbrechende Erfolge. In seinen frühen wissenschaftlichen Arbeiten befasste sich Tschermak mit Fragestellungen der Chemie/Geochemie, wie beispielsweise mit dem Kreislauf des Kohlenstoffs.

Gustav Tschermak (Bild: Wikipedia)

Gustav Tschermak hat am 16. Jänner 1865 im Verein zur Verbreitung naturwissenschaftlicher Kenntnisse einen Vortrag über „Der Kreislauf des Kohlenstoffs“ gehalten, der im Folgenden in einer für den Blog adaptierten, leicht gekürzten Form mit einigen zusätzlichen Untertiteln widergegeben wird (die ursprüngliche Schreibweise wurde beibehalten). Der Originaltext kann in [1] nachgelesen werden.

Ein ausführlicher Lebenslauf von Gustav Tschermak findet sich unter [2]

Gustav Tschermak: Der Kreislauf des Kohlenstoffes

Die chemische Geologie, ein neuer Zweig der Naturwissenschaft, beruht auf der Erkenntnis: Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium, in welchem beständig chemische Processe von Statten gehen und so lange von Statten gehen werden, als sie ihre Bahn um die Sonne beschreiben wird.

Doch nicht ein planloses Wirken der chemischen Kräfte in und auf der Erde hat die Wissenschaft erkannt. Vielmehr erscheint uns unsere Erde im Lichte der bisherigen Erfahrung nunmehr wie ein grosser Organismus, in welchem unter beständigem Wechsel der Form, unter beständiger Zerstörung und Verjüngung, unter beständiger Umwandlung ein ewiges Kreisen der Stoffe wahrzunehmen ist nach bestimmten Gesetzen, die wir theils schon erkennen, theils nur ahnen, bis uns die Leuchte der chemischen Forschung die klaren Umrisse des heute Verborgenen erkennen lasst.

Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium.

Das Kreisen der Stoffe, der unaufhörliche Wechsel der Formen und des Ortes wird unserer Phantasie durch das Beispiel näher gerückt, welches uns das Wasser bietet. Wie das Wasser, so finden wir auch andere Stoffe in beständiger Bewegung. Dieselben kehren in kürzerer oder längerer Zeit, nach wenigen oder vielen Zwischenstadien wieder zu demselben Zustande zuweilen auch an denselben Ort zurück, um dann von Neuem die Wanderung zu beginnen. Ich wähle für heute den Kohlenstoff aus, um dessen Schicksale in raschem Ueberblicke zu verfolgen.

Der Kohlenstoff

ist ein einfacher Stoff der Chemie, ein Grundstoff, ein Element. Er bildet zugleich mit dem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, die Grundlage aller Organismen, und ist deshalb so wie diese Stoffe in häufigen und raschen Wanderungen begriffen. Die Formen, in welchen er auftritt, sind unzählige. Wir sehen ihn isolirt, frei von anderen Begleitern als Holzkohle oder Russ, ebenso als Graphit, jener schwarze Körper, den wir zu Schreibstiften verwenden; wir bewundern ihn als Diamant wegen seines prachtvollen Farbenspieles. Alle diese Körper sind brennbar, sie verbinden sich bei der Verbrennung mit Sauerstoff und liefern einen gasförmigen Körper, die Kohlensäure (H2CO3 = CO2 + H2O, Anm. Red.). Diese Luftart, welche Jeder von den schäumenden Getränken her kennt, ist die gewöhnlichste der gasförmigen Verbindungen des Kohlenstoffes.

Weniger häufig sind jene Luftarten, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzt sind, wie das Grubengas oder Sumpfgas, welches als Zersetzungsproduct der Kohlen und Pflanzenstoffe, in Kohlenbergwerken, in Sümpfen und Morasten sich entwickelt.

In fester und flüssiger Form treffen wir Verbindungen des Kohlenstoffes mit Wasserstoff und Sauerstoff im Holze und allgemein in allen Pflanzenstoffen, ebenso in deren Zersetzungsresten im Pflanzenmoder, im Torf, in der Braunkohle und Steinkohle, im Erd- oder Steinöl (Petroleum).

Im Fleische und in den Thierstoffen überhaupt tritt als wesentlicher Bestandtheil der Stickstoff in merklicher Menge hinzu. In allen diesen Verbindungen ist das Schicksal jedes einzelnen Stoffes mit dem der übrigen innig verknüpft. Je mehr sich dabei der Kohlenstoff von seinen Begleitern trennt, desto mehr trotzt er allen Lockungen zur Veränderung, so dass er in dem Stadium der Steinkohle, des Graphites sehr träge erscheint, wenig geneigt, in den allgemeinen Kreislauf wieder einzutreten.

CO₂ in der Atmosphäre

Als Anfangspunkt und als Endziel aller grösseren Wanderungen kann man die Atmosphäre betrachten.

Die Luft besteht aus einem Gemenge von Sauerstoffgas, Stickstoffgas, Wasserdampf und Kohlensäuregas.

Von dem letzteren enthält die Luft gleichwohl verhältnissmässig wenig; höchstens 6 Theile in 10.000; wenn man indessen bedenkt, welch grosse Luftmenge die Erde umgiebt, so erscheint die Menge des darin enthaltenen Kohlenstoffes nicht gering. Liebig (Deutscher Chemiker, 1803 – 18773; Anm. Red) schätzt dieselbe auf 2800 Billionen Pfunde. Mit diesem Capital arbeitet die Atmosphäre beständig fort, indem sie auf der Erde das Leben der Organismen erhält, und der geheimnissvollen Werkstätte unter der Erde das Material zu ihren chemischen Processen liefert.

Der kürzeste Kreislauf ist jener, den die Kohlensäure in Gesellschaft des atmosphärischen Wassers ausführt. Dasselbe absorbirt jenes Gas und bringt bei jedem Niederschlage ein gewisses Quantum zur Erde herab. Beim Verdampfen des Wassers und dem Wiederaufsteigen zur Atmosphäre kehrt auch die Kohlensäure wieder zurück. Ein Theil des Wassers aber und mit ihm die Kohlensäure dringen in den Boden ein, um dort die Wanderung fortzusetzen.

Kohlenstoff in der Biosphäre

Von grossem Interesse ist der Kreislauf des Kohlenstoffes in jener Bahn, welche durch das Pflanzen und Thierleben vorgezeichnet ist. Der Boden, in welchem die Pflanzen wurzeln, absorbirt Kohlensäure. Die Pflanzen nehmen diesen Nahrungsstoff durch ihre Wurzeln auf und verarbeiten ihn zu Pflanzensubstanz (die CO2-Fixation durch Photosynthese war noch unbekannt; Anm. Red).

Dabei geben sie indes auch namentlich zur Nachtzeit, Kohlensäure ab, welche wieder zur Atmosphäre zurückkehrt. Im übrigen wird Kohlenstoff in dem Pflanzenleibe aufgespeichert, worauf er einem dreifachen Schicksale entgegen geht. Die Pflanze unterliegt dem Verwesungs- oder Verbrennungsprozesse, ihre Substanz zerfällt in Wasser und Kohlensäure, die letztere kehrt wieder an den Anfangspunkt ihrer Wanderung zurück. Oder der Pflanzenkörper wird von Schlamm und Erdschichten bedeckt und so der raschen Verwesung entzogen. Der dritte Weg führt durch den Thierleib. Die Thiere nähren sich direct oder indirect von Pflanzenstoffen. Von dem so aufgenommenen Kohlenstoff wird ein Theil durch den Athmungsprocess und die Excremente wieder ausgeschieden, ein Theil in dem Thierleibe aufgespeichert. Nach dem Tode unterliegt derselbe so wie der Pflanzenleib entweder einer rascheren Zersetzung und es kehrt der Kohlenstoff in der Form der Kohlensäure zur Atmosphäre zurück oder die Natur conservirt den thierischen Moder in den Erdschichten für ihre ferneren Zwecke.

Beständig senken grosse Massen von Kohlenstoff sich in unsichtbarer Weise aus der Atmosphäre zu uns herab, um die Formen des Pflanzen- und Thierleibes anzunehmen und endlich nach Tagen, Monaten oder Jahren wieder emporzusteigen zu den luftigen Höhen, nachdem sie die verschiedensten Phasen durchgemacht haben.

Nicht immer geht die Wanderung rasch vonstatten, vielmehr bedarf es zuweilen geologischer Zeiträume, bis der Kreislauf vollendet ist. Nicht alle Pflanzen- und Thierstoffe vermodern und verwesen an der Oberfläche der Erde, gar viele werden durch den beständig fortdauernden Absatz der Sand-, Thon und Kalkschichten bedeckt und eingeschlossen, namentlich jene, die von Wasserbewohnern herrühren.

Daher findet man die Gesteinschichten durchwegs mit mehr oder weniger Moder durchdrungen. Die kohligen Theilchen ertheilen dem Stein häufig eine graue, auch schwarze Farbe. Manche Schichten sind vollständig erfüllt von Kohle, Erdharz, Erdöl oder Anthracit, Graphit; sämmtlich Stoffe, die von Pflanzen und Thieren herrühren und stellenweise finden sich selbständige Lager davon. Der auf solche Weise tief in der Erde begrabene Kohlenstoff beträgt gewiss viel mehr als die Menge des in der Atmosphäre enthaltenen.

Wenn man sich die vorhin erwähnte Kohlenstoffmenge; welche in der Atmosphäre als Kohlensäure schwebt, in fester Form auf der ganzen Erdoberfläche vertheilt denkt, so würde dies eine Schicht von kaum einer Linie Höhe geben. Die Quantität des in den Erdschichten vergrabenen Kohlenstoffes hingegen schätzt Bischof (Carl Gustav Bischof, 1792 – 1870, deutscher Pionier der Geochemie; Anm.Red.) so gross, dass derselbe bei gleicher Vertheilung eine 46 Fuss hohe Schicht bilden würde.

Kehrt nun von diesen Kohlenstoffmengen nichts mehr in den allgemeinen Kreislauf zurück?

Vielleicht blos durch das Verbrennen der Mineralkohlen und des Steinöls von Seite des Menschen? Die auf solche Weise wieder empor geschickte Kohlenstoffmenge beträgt verhältnissmässig nur wenig; viel bedeutender ist das Quantum, das auf anderem Wege aufsteigt. Der in den Gesteinschichten enthaltene Moder so wie die Ablagerungen von Kohle sind in einer beständigen Zersetzung begriffen. Die eine Art dieser Zersetzung liefert das früher erwähnte Grubengas und ähnliche luftförmige Verbindungen des Kohlenstoffes mit Wasserstoff, welche aus dem Boden emporsteigen als brennbare Luftarten ähnlich wie das allen wohlbekannte Leuchtgas.

So in Steinkohlenlagern, in Quellen und Bächen, im angeschwemmten Lande. Der grossartigste Process aber, durch welchen der Kohlenstoff, nachdem er lange in den Schichten der Erde geschlummert hat, zu neuer Thätigkeit geweckt wird, ist der Oxydationsprocess, welchen die unterirdischen Wässer vermitteln. Das aus der Atmosphäre niederfallende Wasser bringt nicht blos jene kleine Quantität Kohlensäure, sondern eine viel grössere Menge von Sauerstoff in Auflösung mit herab. Die in den Boden eindringenden Wässer führen daher dem in dem Gesteine eingeschlossenen Kohlenstoffe beständig grosse Mengen von Sauerstoff zu. In solcher Weise entwickelt sich in den vom Wasser durchsickerten Gesteinschichten ein reger chemischer Process, wodurch wieder Kohlensäure gebildet wird. Ein grosser Theil der letzteren wandert in den Wasseradern weiter, um vorzeitig oder zugleich mit dem Wasser zur Erdoberfläche zu dringen. Was wir beim kühlen Brunnen oder am sprudelnden Quell an perlender Kohlensäure im frischen Trunke geniessen, empfangen wir aus dem Schosse einer längst untergegangenen Schöpfung! So werden fortwährend ungeheure Mengen Kohlenstoffes aus den Tiefen der Erde zu Tage gefördert. Die Natur holt hier gleichsam nach, was sie bei der Verwesung der Pflanzen- und Thierkörper versäumte. Seine Neigung zum Sauerstoffe und seine Wanderungen in Gestalt der Kohlensäure haben in der unterirdischen Werkstätte die merkwürdigsten Folgen. Die Bildung der wertvollsten Erzlagerstätten, die Umbildung loser Schutt-, Sand und Thonablagerungen zu festem Gestein, die Umwandlung kalkiger Gesteine in kieslige und umgekehrt, die Auflösung der Schichten und die gleichzeitige Entstehung von unterirdischen Hohlräumen oder von Niveauveränderungen auf der Erdoberfläche — dies sind Erscheinungen, bei welchen ausser dem Wasser der Kohlenstoff als Moder oder Kohlensäure die Hauptrolle spielt.

Das Festland, von dem ich jetzt zumeist gesprochen, umfasst nicht den ganzen Kreislauf des Kohlenstoffes.

Das Reich des Wassers

ist viel grösser und viel mehr belebt als das Landreich. Dort circuliren fortwährend grosse Stoffmengen nach ähnlichen Gesetzen wie auf dem Lande. Als Träger der Kohlensäure fungirt das nasse Element das ebenso auch den zum Leben nöthigen Sauerstoff in Auflösung enthält. Die Aufnahme der Kohlensäure, die Wanderung der Pflanzenstoffe in den Thierkörper, die Athmung, die Verwesung sind wiederum die Hauptmomente des Kreislaufes. Während bei den Lebenserscheinungen kein auffallender Unterschied im Stoffwechsel gegenüber den Verhältnissen auf dem Festlande auftritt, so sind nach dem Absterben der Organismen die Umstände mehr geeignet, die Conservirung der Moderstoffe zu begünstigen. In den Absätzen des Meeres werden viel mehr kohlige Ueberreste eingeschlossen und für den künftigen Oxydationsprocess aufbewahrt, als es bei den Landbildungen der Fall ist. Im Wasserreiche, namentlich im Meere, gibt es noch einen Vorgang, der eine Wanderung grosser Kohlenstoffmengen bedingt. Viele Wasserthiere (aus den Abtheilungen der Mollusken, Radiaten, Rhizopoden) ebenso viele Algen sondern Kalk ab, indem sie Kalkgehäuse oder Kalkinkrustationen bilden. Der Kalk nun besteht aus Kalkerde und Kohlensäure. So wie die Luftthiere Kohlensäure ausathmen, in ähnlicher Weise bilden die Wasserthiere Kalk, indem der zweite Bestandtheil, die Kalkerde aus dem von den Thieren verzehrten Meerwasser hinzukömmt. Aus den unzähligen Kalkgehäusen dieser Thiere bilden sich Ablagerungen und in geologischen Zeiträumen Kalksteinschichten und Kalkgebirge. Aller Kalkstein, den wir sehen hat sich wohl auf diese Weise gebildet.

Welche ungeheuren Massen von Kohlenstoff sind in den Kalkgebirgen fixirt! Hier erscheint dieser Stoff schließlich in fester Form als unbezwinglicher Felsblock, als zackige Gebirgsmasse, scheinbar zu ewiger Ruhe verurtheilt. Und doch gibt es Wege, die ihn wieder zum Leben, zur Bewegung führen. Millionen von Jahren mögen dahingehen, denn nur allmälig wirken die sickernden Gewässer; aber unaufhörlich dringen sie durch die Gesteinschichten und lösen die festen Massen auf. So wird auch kohlensaure Kalkerde fortgeführt durch die Quelle, den Bach in den Strom. Während dieser Reise macht sich eine bedeutende Menge Kohlensäure aus der Verbindung los, und entweicht zur Atmosphäre. Das ins Meer gelangende Wasser enthält im Verhältnis zu den übrigen aufgelösten Stoffen viel weniger Kohlensäure als das Quell- und Bachwasser.

Ausser diesem ist noch ein zweiter Vorgang zu betrachten, welcher sehr grosse Mengen von Kohlensäure an die Atmosphäre zurückgibt. Es ist bekannt, dass in vielen, namentlich in vulcanischen Gegenden warme Kohlensäure führende Quellen emporsprudeln und ebenso, dass dort häufig aus den Spalten der Erde Ströme von Kohlensäuregas empordringen, die sogenannten Mofetten. Man erklärt sich diese Erscheinungen dadurch, dass man annimmt, in Tiefen, wo Siedhitze oder eine noch höhere Temperatur herrscht, komme Kalkstein mit kieselsäurehaltigen Gesteinen und mit Wasser in Berührung. Die Kieselsäure verbindet sich mit der Kalkerde des Kalksteines und vertreibt auf diese Weise die Kohlensäure. Die leztere entweicht und wenn sich eine Spalte findet, die einen Ausweg gestattet, so presst das Kohlensäuregas eine Wassersäule empor, es entsteht eine Sprudelquelle. Im anderen Falle oder wenn die Zersetzung des Kalksteines in der Tiefe ohne die Gegenwart des Wassers stattfindet, dann entweicht Kohlensäuregas allein. Da durch einen einfachen Versuch im Laboratorium gezeigt wird, dass sich Kohlensäure entwickelt, wenn in siedendem Wasser kohlensaure Kalkerde und Kieselsäure zusammen gebracht werden, ebenso, wenn bei höherer Temperatur ohne Beisein von Wasser Kalkstein und kiesliches Gestein sich berühren, so hat diese Erklärung viele Wahrscheinlichkeit für sich. Wir hätten demnach die bedeutenden Mengen von Kohlensäure, welche die Thermen und die Mofetten beständig emporsenden, ebenfalls dem Kalkstein, also indirect jenen Thieren zu verdanken, die vor Aeonen gelebt und Kalkablagerungen gebildet haben.

Der Kohlenstoffkreislauf in einer modernen, vereinfachten Version. Die Zahlen geben die gelagerten/produzierten Mengen Kohlenstoff (C) in Gigatonnen an (Bild:https://eo.wikipedia.org/wiki/Cesare_Emiliani#/media/File:Carbon_cycle-cute_diagram-german.svg)

Diese kurze Ueberschau einiger chemischer Vorgänge auf und in der Erde hat Ihnen gezeigt, wie ein Stoff in mannigfachem Wechsel der Form und des Ortes durch die belebte und unbelebte Natur ewig kreist, in engeren und weiteren Bahnen, in kurzen und in lange dauernden Wanderungen, dass ein Zusammenhang besteht zwischen den heterogensten Erscheinungen.

Wir dürfen das Bild erweitern, ergänzen, denn dasselbe gilt für viele andere Stoffe, für alle Erscheinungen im Getriebe der Natur.

[1] Gustav (Edler von Seysenegg) Tschermak: Der Kreislauf des Kohlenstoffes. Schriften des Vereins zur Verbreitung naturwissenschaftlicher Kenntnisse Wien (1866) 5: 197 – 212. http://www.landesmuseum.at/pdf_frei_remote/SVVNWK_5_0197-0212.pdf

[2] Bernhard Fritscher (2004): Mineralogie und Kultur im Wien der Donaumonarchie – Zu Leben und Werk Gustav Tschermaks. Jb. Geol. B.-A.144 (1):67-75 http://www.landesmuseum.at/pdf_frei_remote/JbGeolReichsanst_144_0067-007...

Literatur von Gustav Tschermak.

Gustav Tschermak (1885): Die mikroskopische Beschaffenheit von Meteoriten. Engl. Übersetzung: "The Microscopic Properties of Meteorites" von John A. Wood und E. Mathilde Wood, Smithsonian Institution, Washington D.C. (1964). https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/6641/SCAS-0030.pdf?sequ...

Gustav Tschermak (1897) Lehrbuch der Mineralogie.