Lexikon der Biologie: Kohlendioxid
Kohlendioxids, Kohlenstoffdioxid, chemische Formel CO2, farbloses, nicht brennbares, schwach säuerlich riechendes und schmeckendes Gas. Unter Überdruck kann CO2 auch verflüssigt werden und kommt als solches in Stahlbomben in den Handel. Durch rasches Entspannen von komprimiertem CO2 erhält man sog. Trockeneis. CO2 ist zu 0,035 Volumenprozent Bestandteil der Luft (Atmosphäre; vgl. Abb. ). Gebunden in fester Form, kommt es in den Carbonatlagerstätten besonders in Form von Calcium- und Magnesium-Carbonaten vor (Kalk). In Gewässern können große Mengen CO2 gelöst sein (bei 15 °C und Atmosphärendruck ca. 1 l CO2 in 1 l Wasser), besonders angereichert ist CO2 in Mineralquellen (Sauerbrunnen, Säuerlinge, Sprudel; Mineralwasser) enthalten. In wäßrigen Lösungen reagiert CO2 nach der Gleichgewichtsreaktion CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3– (Carboanhydrase), weshalb wäßrige Lösungen von CO2 auch als Kohlensäure (H2CO3) bezeichnet werden (Bodenreaktion, Entkalkung). CO2 ist neben H2O (Wasser) das Endprodukt der biologischen Oxidation (Atmungskette) und ein Hauptprodukt der alkoholischen Gärung. Dabei bildet es sich durch Decarboxylierungsreaktionen (Decarboxylierung) aus Ketosäuren und nicht durch direkte Reaktion organischer Substrate mit Sauerstoff (Glykolyse, Citratzyklus). In gelöster Form ist CO2 Bestandteil der intra- und extrazellulären Flüssigkeiten von Organismen (Blutgase, Blutpuffer, Elektrolyte, Hydrogencarbonate) sowie in Gasform besonders der Ausatmungsluft (Alveolarluft, Atmung, Atmungsregulation). CO2 ist die stoffliche Basis für alles Leben. Die Einschleusung von CO2 in organische Verbindungen erfolgt durch die Kohlendioxidassimilation der grünen Pflanzen (Calvin-Zyklus, Photosynthese), aber auch durch andere, meist von Biotin abhängige Carboxylierungsreaktionen (Carboxylierung). – Ab bestimmten Konzentrationen kann CO2 erstickend wirken: bis zu einem Gehalt von 2,5% ist CO2 in der Atemluft unschädlich; 4–5% wirken betäubend; ab 8% führt es zur Erstickung. Da gasförmiges CO2 schwerer als Luft ist, kann es sich bei mangelnder Durchlüftung in den tieferliegenden Bereichen abgeschlossener Räume, in denen CO2 produziert wird (z.B. in Gärungskellern oder bei Verwendung von flüssigem bzw. festem CO2 als Kühlmittel), anreichern und zur Erstickungsgefahr führen. – Die CO2-Konzentrationen in den verschiedenen Medien der Biosphäre ( vgl. Tab. ) werden über komplexe Regelmechanismen im Rahmen des Kohlenstoffkreislaufs eingestellt. Die Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit Beginn der industriellen Entwicklung (etwa 1850) von 290 ppm (ppm) auf jetzt etwa 360 ppm ist zum Teil durch Verwendung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) erklärbar. Pro Jahr wird heute CO2 entsprechend etwa 5–6 Gigatonnen Kohlenstoff emittiert. Vergleichbare CO2-Mengen werden durch Brandrodung riesiger Waldgebiete z.B. im Amazonasbecken (Feuerökologie), Oxidation von Humus bei der Bodenverödung und bei der Bodenbearbeitung freigesetzt. Die mittlere jährliche Zuwachsrate des atmosphärischen CO2 liegt bei 0,3–0,4% mit erheblichen Schwankungen von Jahr zu Jahr, was u.a. darauf beruht, daß sich in den Meeren 50–60mal mehr CO2 als in der Atmosphäre befindet und sich damit jede Veränderung der CO2-Konzentration in den Meeren entsprechend stark auf die atmosphärische CO2-Konzentration auswirkt. Der anthropogen bedingte Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre wird für den sog. Treibhauseffekt und eine damit verbundene mögliche Klimaänderung (Klima, Luftverschmutzung) mit verantwortlich gemacht. Außerdem verändert sich mit steigender CO2-Konzentration die Gewebequalität von Pflanzen, es werden bevorzugt Kohlenhydrate gebildet und weniger Proteine, was wiederum Auswirkungen auf Mikroorganismen und Tiere hat. Da die Reaktionen auf veränderte CO2-Konzentration von Art zu Art variieren, sind auch Auswirkungen auf die Biodiversität wahrscheinlich. Eine Wachstumsstimulierung durch ein erhöhtes CO2-Angebot, die man als positive Auswirkung des CO2-Anstiegs betrachten könnte, ist vor allem bei jungen Pflanzen zu beobachten – aber nur, wenn alle anderen Ressourcen und genügend Platz zur Verfügung stehen. Inwieweit die Auswirkungen der gestiegenen CO2-Konzentration wirklich bedenklich sind, ist derzeit Gegenstand von kontrovers geführten Diskussionen. Da im Verlauf der Erdgeschichte zeitweise weit höhere CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre herrschten und heute völlig unbekannte und/oder ausgestorbene Pflanzen- und Tierarten vorkamen, vermuten manche Wissenschaftler, daß die CO2-Konzentration (ohne anthropogene Emissionen) heute eher im Bereich der Existenzschwelle für die belebte Welt liegt. Um langfristig den CO2-Anstieg durch anthropogene Emissionen zu bremsen, eignen sich Maßnahmen wie die vielfach praktizierte Aufforstung kaum; sinnvoller wäre die Bewahrung der bestehenden CO2-Reservoire alter Wälder. Die wohl effektivste Kohlendioxidsenke sind die oberen Schichten der Meere, wo CO2 durch Algen photosynthetisch fixiert und in Form von Kalkskeletten mariner Organismen in riesigen Mengen dauerhaft gebunden wird. Die Speicherkapazitäten der Biosphäre und der Meere sind jedoch umstrittene Größen, da manche Bereiche, wie z.B. die tieferen Schichten des Meeres, kaum am CO2-Austausch teilnehmen. Cagniard de la Tour (C.), Calvin (M.), Cavendish (H.), Geochronologie, Haldane (J.S.), Helmont (J.B. van), Kohlendioxidfixierung, Kohlendioxidrezeptor, Pettenkofer (M.J.); ä chemische und präbiologische Evolution , Dissimilation I
Dissimilation II
, Glykolyse , Kohlenstoffkreislauf , Stoffwechsel.
H.K./G.J./M.B.
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Kohlendioxid
CO2-Gehalt der Erdatmosphäre und Durchschnittstemperaturen von 1958–1992, gemessen am Mauna Loa Observatorium (Hawaii). Neben den jahreszeitlichen Schwankungen ist eine stetige Zunahme des CO2-Gehalts erkennbar. Im gleichen Zeitraum zeichnet sich trotz der stark schwankenden Durchschnittstemperaturen ein Erwärmungstrend ab.
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