Stoff-Wechsel - Hermann Fischer - E-Book

Stoff-Wechsel E-Book

Hermann Fischer

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14,99 €

Beschreibung

Chemische Wandlungsprozesse sind die Basis allen Lebens. Doch seit über einem Jahrhundert herrscht die erdölbasierte »harte Chemie« nahezu unangefochten, und in der Produktion von 90 Prozent aller Alltagsgüter sind die Giftstoffe der Petrochemie immer noch allgegenwärtig. Die Folgen für Natur und Umwelt sind bekannt – weniger, dass auch hier ein »Stoff-Wechsel« hin zu erneuerbaren Rohstoffen möglich, ja unvermeidlich ist. Ob bei Baustoffen, Farben oder Verpackungen, bei Textilien, Kosmetika oder im modernen Automobilbau – die Potenziale einer nachhaltigen Chemie warten nur darauf, ausgeschöpft zu werden. Hermann Fischer, Chemiker und als Unternehmer ein Pionier der Verwendung natürlicher Rohstoffe, zieht in diesem Buch auch Chemie-Laien und -Verächter in seinen Bann. Ausgehend von der »konkreten Chemie« des Stoffwechsels in uns macht Fischer die Magie der Stoffe und Substanzen erfahrbar, die unsere dingliche Umwelt prägen. Er analysiert, warum die klassische Chemie abgelöst werden muss, und beschreibt die Chancen einer solaren Chemie an einer Fülle einprägsamer Beispiele. Nachhaltiges Wirtschaften ist nur mit einer Chemie aus der Kraft der Sonne möglich – parallel zum Energiewandel ist auch in der Chemie ein »Stoff-Wechsel« hin zu Naturprodukten überfällig.

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HERMANN FISCHER

STOFF-WECHSEL

AUF DEM WEG ZU EINER SOLAREN CHEMIEFÜR DAS 21. JAHRHUNDERT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Verlag Antje Kunstmann

Inhalt

Vorwort

1 In uns und um uns: ein Kosmos der Stoffe

Eine Frage auf Leben und Tod: die Chemie in uns

Unser chemischer Zugang zur Welt: die Sinne

Der Austausch, der uns lebendig hält

Stoffe und Stoffwechsel in der Natur

Chemieindustrie bricht die Patente der Natur

Eine neue Art Stoffwechsel durch industrielle Chemie

Aus Euphorie wird Ernüchterung: Chemie hat Nebenwirkungen

Die große Wende: Der Chemie gehen die Rohstoffe aus

Stoff-Wechsel jetzt: Die Zukunft der Chemie ist solar!

2 Harte Chemie – Auslaufmodell aus dem 19. Jahrhundert

Die Entstehungsbedingungen der harten Chemie im 19. Jahrhundert

Chemie und Politik in unseliger Verkettung

Alles hängt vom Erdöl ab: Chemie wird zur Petrochemie

Der Einzug der Ultra-Gifte in die Chemie

3 Momentaufnahmen aus der Alltagschemie

Im Badezimmer

Beim Frühstück

Hausarbeit: Waschen, Reinigen, Pflegen, Einkaufen

Und auch für den Rest des Tages: Chemie ohne Ende

Konventionelle Chemie verstehen: Grundprozesse und Beispielprodukte

4 Magie und Vielfalt der Stoffe

Substanzen sind magische Objekte

Als die Magie der Stoffe verloren ging

Wider die Entsinnlichung der Welt

5 Chemie ist, wenn Stoffe sich wandeln

Der dynamische Aspekt der Chemie

Bedingungen und Folgen chemischer Umwandlungen

Der Preis der Umwandlung: chemische Abfall- und Nebenprodukte

6 Stoff-Wechsel auf die geniale Art: »Solare Chemie«

Chemie mit Langzeit-Zertifikat

Das Energie-Patent der solaren Chemie

Wertschöpfung aus Licht, Luft und Wasser

Solare Produktivität im Überfluss

Die unerreichte Vielfalt solarer Grundstoffe

Hightech-Stoffe aus der Kraft der Sonne

Abfälle und Nebenprodukte der solaren Chemie

Alles auf Anfang: perfekte Kreislaufbildung

Pflanzenchemie mit eingebauter Monopolisierungsbremse

Solarchemie und Flächenkonkurrenz

7 Auf dem Weg zu einem nachhaltigen Gebrauch der Stoffe

Ideenkeime für eine neue Chemie

Basis-Innovationen des 21. Jahrhunderts

Von der Wurzel bis zur Blüte: Beispiele für wichtige solare Grundstoffe

Aspekte zur Verarbeitung solarer Grundstoffe

8 Beispiele solarer Chemie, die Wege aufzeigen und Mut machen

Baustoffe und Wohnprodukte

Körperpflege, Waschen, Reinigen, Kleidung

Kultur, Freizeit, Technik, Medizin

Hightech-Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen

9 Chemie aus dem vollen Leben: die Zukunft der solaren Chemie

Solare Chemie am »Tipping Point«

Skeptiker und Gegner der solaren Chemie

Solares Netzwerk: Förderer und Nutznießer der solaren Chemie

Der Zeithorizont der Konversion bis 2050

Die Chemie kehrt zurück in die Mitte der Gesellschaft

Anmerkungen

Vorwort

Nach dem Fukushima-Schock scheint in Deutschland – trotz heftigen Lobbywiderstands der Atomindustrie – die Energiewende unumkehrbar auf den Weg gebracht zu sein. Bei allem Streit um die Ausgestaltung herrscht offensichtlich in der Bevölkerung ein breiter Konsens, dass die Zukunft den erneuerbaren Energien gehört.

Wie aber steht es um die stoffliche Seite unseres Alltags? Die zahllosen chemischen Produkte, die wir verwenden, basieren ebenfalls weit überwiegend auf nicht erneuerbaren Rohstoffen. Bei den »systemrelevanten« organischen Chemikalien ist die Abhängigkeit von den zur Neige gehenden fossilen Rohstoffquellen (Erdöl, Erdgas) mit fast 90 Prozent noch viel höher als auf dem Energiesektor – und ihre Herstellung, ihr Gebrauch und ihre Rückstände belasten die Umwelt eher noch mehr.

Genauso dringend wie die Energiewende müssen wir also jetzt einen Wechsel bei unserem alltäglichen »Stoff«gebrauch gestalten. Wir brauchen nicht weniger als eine neue Grundlage für die Chemie der Zukunft – unter weitgehendem Verzicht auf Grundstoffe, die nicht erneuerbar sind. Unsere stoffliche Zukunft kann nur auf »solaren Grundstoffen« basieren, die prinzipiell unerschöpflich sind.

Viele Menschen trauen sich in Energiefragen ein Urteil zu. Sie glauben jedoch, nichts von »Stoffen« oder gar von »chemischen Prozessen« zu verstehen. Die Energiewende liegt ihnen gedanklich ungleich näher als eine Chemiewende. Dabei beruhen schon die wesentlichen Vorgänge in unserem Körper auf chemischen Verwandlungen – von Atmung und Verdauung bis hin zu Wahrnehmung, Gedanken und Emotionen.

Wir Menschen sind nämlich ganz und gar chemische Wesen, eingebunden in eine natürliche chemische Umwelt von Luft, Wasser, Pflanzen, Tieren und Mineralien und in ständigem stofflichem Austausch mit diesen. Seit etlichen Jahrzehnten mischen sich auch noch fremdartige, künstliche Substanzen in diesen Austausch ein und beeinflussen unseren Alltag und unser Wohlbefinden in ungeahnter Weise.

Und da soll uns das Schicksal unserer stofflichen Umwelt, die Zukunft unserer Grundstoffe und Alltagsprodukte, deren Herkunft und Verbleib sowie deren konkrete Entstehungsbedingungen gleichgültig sein? Nur weil wir vielleicht aus der Schule einen negativen oder allenfalls gleichgültigen Eindruck von dieser Wissenschaft und Technologie mitgenommen haben?

Die Zukunft unserer Alltagschemie muss und wird neu gestaltet werden. Überlassen wir das allein den Chemiefachleuten, dann haben wir auch keinen Einfluss auf die Art und Weise, wie dieser »Stoff-Wechsel« gestaltet wird. Wird er nach den alten Prinzipien einer »harten« Chemie organisiert, dann werden die Folgen für die natürlichen Lebensgrundlagen verheerend sein.

Es genügt eben nicht, alle bislang aus Erdöl hergestellten Produkte nun künftig aus nachwachsenden Rohstoffen produzieren zu wollen. Das Beispiel des verharmlosend sogenannten »Biosprit« sollte uns eine Warnung sein – wir dürfen die »intelligenten« Pflanzenstoffe nicht einfach als »dumme« Energielieferanten missbrauchen.

Es gibt jedoch schon heute viele überzeugende Beispiele, wie Produkte unserer Alltagschemie – von Hautpflegemitteln über Textilien bis hin zu Baustoffen, Bioplastik und Hochleistungswerkstoffen – ohne fossile Rohstoffe, nach schonenden Verfahren, mit geringem Energieaufwand und ohne giftige Abfallstoffe produziert werden. Der »Stoff-Wechsel« ist in vollem Gange!

Doch die meisten Menschen wissen zu wenig davon, wie der Übergang in eine solare Chemie der Zukunft vonstattengeht, und sie können ihn daher auch nicht konstruktiv und kritisch genug begleiten. Dabei haben sie es als Verbraucherinnen und Verbraucher in der Hand, ob diese neue Art von Chemie wirklich allen Forderungen nach Menschenverträglichkeit, Umweltgerechtigkeit, Nachhaltigkeit und einer fairen globalen Verteilung von Chancen und Risiken genügt.

Dieses Buch – geschrieben von einem begeisterten Chemiker, der zugleich auch leidenschaftlicher Naturschützer und erfolgreicher Unternehmer ist – will einen Beitrag dazu leisten, dass mehr Menschen beim anstehenden Stoff-Wechsel mitreden können. Dabei ist es alles andere als ein Chemiebuch. Es erzählt vielmehr spannende und lehrreiche Geschichten aus dem Alltag und dem Schicksal der Stoffe und ihrer Verwandlungen, die jeder aufmerksame Mensch nachvollziehen kann.

Chemie ist eigentlich viel interessanter und leichter zu verstehen als Energie – und dabei noch viel wichtiger für unser aller Leben.

1 In uns und um uns: ein Kosmos der Stoffe

Eine Frage auf Leben und Tod: die Chemie in uns

Ein Buch über »Stoffe« und damit über »Chemie«? Hat nichts mit mir zu tun – zuklappen, weglegen, vergessen!

Doch halt! Schon der allererste Blick auf dieses Buch hat ja Hunderte von Stoffen in Aktion gesetzt – und zwar in Ihrem Inneren! Und das Nachdenken über die soeben gelesene Behauptung bringt noch zahlreiche weitere Moleküle in der zögernden Leserin zur Raserei.1 Das schnelle Urteil: »Chemie hat nichts mit mir zu tun« ist daher eine wahrhaft paradoxe Fehleinschätzung, denn ohne die chemischen Vorgänge in unserem Gehirn und Nervensystem gäbe es gar kein Urteilsvermögen. Also: »Natur-Chemie« ist allgegenwärtig, sowohl in unserem Körper als auch in unserer Umwelt.

Die Allgegenwart der Stoffe und ihrer Verwandlungen besteht übrigens schon seit Millionen von Jahren – lange, bevor an so etwas wie eine »chemische Industrie« auch nur zu denken war. Diese Art von Chemie in Organismen wie Bakterien, Pflanzen, Tieren und Menschen, aber auch in der unbelebten Umwelt ist also zunächst einmal etwas völlig Natürliches, nicht Menschengemachtes und damit auch nichts vom Menschen »Verdorbenes«.

Und doch ist eine fast instinktive Abneigung und Abwehr gegenüber dem Thema »Chemie« allgegenwärtig – und auch nur zu verständlich. Schließlich haben Generationen von Chemielehrern, trotz bester Absichten, die bei Kindern noch weit geöffneten Tore zu einer neugierigen Erkundung der Stoffwelt2 endgültig zugeschlagen. Und weitere Generationen von Chemikern haben zu wenig auf die Folgen ihres Handelns an und mit den Stoffen geachtet und durch diese lange währende, fahrlässige Unbekümmertheit dem ganzen Planeten und den Lebewesen auf unserem Globus massive Probleme bereitet – auch nicht gerade beste Voraussetzungen dafür, dass die Chemie in unserer Gesellschaft einen tadellosen Ruf hätte erlangen oder verteidigen können.

Doch zunächst noch einmal zurück zum Anfang, zu unserem ganz persönlichen, elementaren Zugang zur Welt der chemischen Substanzen. Erwachend schlagen wir am Morgen die Augen auf – und der betörende Reigen der Stoffe beginnt. Noch schlaftrunken erfahren wir die erste Begegnung mit dem uns umgebenden Kosmos der Substanzen. Alle Sinne vermitteln uns diese stoffliche Welt: Mit den Augen erfassen wir ihre Farbe und Form, mit der Haut ihre Textur und Wärme, mit dem Ohr ihre Lautäußerungen oder ihr Reflexionsvermögen, mit Nase und Zunge ihren Geruch und Geschmack.

Alle diese verschiedenartigen Wahrnehmungen finden ihren Weg von den äußersten Sensoren (Netzhaut, Innenohr, Riechzellen, tastempfindliche Unterhautzellen) in das intimste Innere unseres Gehirns mithilfe höchst komplexer, wundervoll ineinander verwobener physikalisch-chemischer Prozesse. Keiner dieser Prozesse ist menschengemacht, und keiner der beteiligten Stoffe bedarf zu seiner Entstehung einer chemischen Fabrik.

Und der Reigen der Stoffe geht mit der Wahrnehmung jeder Sinnesempfindung – selbst wenn sie unbewusst bleibt – sofort stürmisch weiter! Gehirn und Nervensystem reagieren nämlich augenblicklich auf jeden dieser Reize – und die Reaktion besteht vor allem darin, dass neue körpereigene chemische Stoffe gebildet oder ausgeschüttet werden und den Organismus in winzigen, aber hochwirksamen Mengen überfluten, um wiederum in unseren Organen, unseren Blutgefäßen, unseren Muskeln und an vielen anderen Stellen auf geheimnisvolle und uns selten bewusst werdende Weise Veränderungen hervorzurufen.

All dies geschieht, bevor wir auch nur diejenige eigene chemische Fabrik anwerfen, die uns noch am ehesten als etwas »Chemisches« bewusst ist: Nahrungsaufnahme und Verdauung. Wir wissen sehr wohl, dass wir einige Zeit auf diesen eher gröberen Teil unserer körpereigenen Chemie verzichten können, ohne die feine Chemie von Wahrnehmung, Bewusstwerdung, Handlungsimpuls und Bewegung zu gefährden. Das kann ziemlich lange gut gehen, im Extremfall viele Tage oder sogar Wochen – aber dann ist Nachschub nötig, der für neue Stoffe und auch für neue Energielieferanten sorgt, die den ununterbrochenen Aufbau, Abbau, Transport, die Anlagerung und Abstoßung der Substanzen in unserem Leib aufrechterhalten.

Wir können ehrfurchtsvoll erschauern, wenn wir uns in einem stillen Moment bewusst zu machen versuchen, was für ein ungeheurer, wirbelnder und trotzdem lautloser Tanz der Stoffe gerade in uns tobt. Nehmen wir einmal an, all diese chemischen Prozesse in unserem Organismus und in der Umwelt wären mit einem Klang verbunden. Das ist keine ganz abseitige Idee, denn die Welt der Atome und Moleküle ist, wie wir heute wissen, eine Welt voller Schwingungen – nur eben in einem Frequenzbereich, den unsere Ohren nicht wahrnehmen können.

Stellen wir uns also einmal vor, wir könnten eine Art Frequenzwandler nutzen, der diese Schwingungen für uns Menschen hörbar macht (so wie es Geräte gibt, die den eigentlich unhörbaren Ultraschallruf der Fledermäuse in unser Hörspektrum transponieren). Wir wären dann in der Lage, alle Stoffwechselprozesse in uns und außer uns als eine überwältigend vielfältige, auf- und abschwellende Symphonie der Stoffe zu erfahren!

Nicht einen Sekundenbruchteil könnten wir weiterleben, wenn dieser Tanz der Stoffe plötzlich enden würde. Mehr noch: Bei unserem Sterben schleicht sich ein Tänzer nach dem anderen fort, und mit dem erlahmenden Wirbel der Stoffe auf dem weitverzweigten Tanzplatz unseres Organismus erlischt allmählich der Lebensfunke in uns.

Und dann? Dann beginnt ein ganz neuer, eigener Reigen – den wir nur aus unserer persönlichen Perspektive als etwas Tragisches erfahren. Dabei ist auch dieser neue Tanz, mit völlig anderen Akteuren, etwas ganz Natürliches, seit Jahrmillionen erprobt und in seiner Unerbittlichkeit untrennbar mit den Bedingungen des organischen Lebens verwoben. Allmählich nämlich, beginnend bereits vor dem letzten Atemzug, gewinnen diejenigen chemischen Prozesse die Oberhand, die nicht mehr aufbauen, sondern abbauen.

Der ganze Leib gerät unter die Gesetzmäßigkeiten einer biochemischen Erosion. Chemische Prozesse, oft befördert durch Enzyme aus Mikroorganismen, bauen die komplexen Strukturen der Gewebe ab, zerlegen Fasern, zerkleinern Organellen, spalten Eiweißstoffe, führen schließlich alle im Lauf des Lebens aufgebauten komplexen Strukturen wieder zurück auf die allereinfachsten mineralischen Moleküle, auf Kohlendioxid und Wasser, ein paar simple Verbindungen von Stickstoff, Phosphor und Schwefel, wenige Elemente in kleinen Spuren.

Auch dieser Stoffabbau nach unserem Tode ist ausschließlich eine Folge natürlicher biochemischer Prozesse. Furchtbar wäre es um unsere Welt bestellt, wenn es sie nicht gäbe! Ohne diese segensreiche Chemie des Abbaus wäre unsere Welt bedeckt von einer gigantischen Schicht unverweslicher Leichname – eine schreckliche Vorstellung. Jede Entwicklung der Welt, jede Evolution wäre unmöglich. Alles, wirklich alles hängt davon ab, dass es einen unaufhaltsamen, unermüdlichen Wechsel der chemischen Stoffe gibt. Der Stoffwechsel ist nichts anderes als die Basis des Lebens selbst.

Unser chemischer Zugang zur Welt: die Sinne

Unsere Leiblichkeit ist offensichtlich zeitlebens untrennbar mit den chemischen Prozessen verwoben, die pausenlos in ihr stattfinden. Der vielgestaltige und geheimnisvoll gelenkte Wirbel der Stoffe in uns bleibt uns in aller Regel unbewusst – und das ist gut so: Wir wären mit einer bewussten und willkürlichen Steuerung unserer Leibeschemie hoffnungslos überfordert. Unser Bewusstsein würde in der wunderbaren Symphonie der Stoffe, die uns am Leben erhält, sicher nur misstönendes Chaos anrichten.

Chemische Umwandlungen sind aber bereits am Werk, wenn wir über unsere Sinne die allerersten Eindrücke der uns umgebenden Welt empfangen. Im Grunde gönnen uns unsere Sinne keinerlei Pause – wir können das Eintreffen der Schallwellen, der Geruchsmoleküle, der Hautkontakte nicht wirklich abschalten, nicht einmal die Lichteindrücke auf unsere Augen, denn selbst hinter unseren geschlossenen Augenlidern wird es nicht völlig dunkel. Allenfalls die bewusste Wahrnehmung dieser »Ein-Drücke« dämpfen wir im Schlaf oder in der Konzentration auf andere Beschäftigungen mehr oder weniger herab.

Dabei ist uns kaum bewusst, dass am Beginn praktisch aller Sinneserlebnisse ein physikalisch-chemischer Vorgang steht. Besonders deutlich wird uns diese Tatsache natürlich bei den primär der Stoffwahrnehmung dienenden Sinnen von Geruch und Geschmack, die bekanntlich eng miteinander verwoben sind. Sie gehören zu den ältesten und in der Organismusentwicklung des Embryos am frühesten verfügbaren Sinnen.

Mit dem Auftreffen eines Moleküls auf die Riechschleimhaut in unserer Nase beginnt der Elementarvorgang des Riechens. Unser Atemrhythmus führt dabei zu einer Intensivierung dieser Begegnung von Geruchsmolekülen und Riechschleimhaut, denn das Aus- und Einatmen bringt die in der Atemluft enthaltenen Substanzen dicht und mehrfach an der aufnahmebereiten Schleimhaut vorbei. Durch »Schnüffeln« können wir diesen Vorgang noch weiter intensivieren.

Nach dem Auftreffen des Geruchsmoleküls auf die Riechschleimhaut und dem dortigen »Andocken« an einem der etwa 350 verschiedenen Riechrezeptoren3 kommt es sofort zu einem ersten, folgenreichen »Stoffwechsel«, also einer chemischen Reaktion. Spezielle Substanzen (Rezeptormoleküle) auf der Oberfläche der Riechzellen reagieren mit dem Duftstoffmolekül. Durch diese chemische Bindung werden spezielle Proteine aktiviert. Dies wiederum führt zu einer regelrechten chemischen Kaskade, an deren Ende es zur Änderung des elektrischen Potenzials der Riechzelle kommt. Ein geradezu unglaublich komplexer chemischer Stoffwechselvorgang, durch nichts anderes ausgelöst als z.B. das einfache Riechen an einer Rose!

Die elektrische Potenzialänderung wiederum wird als »Erregungswelle« durch das Nervensystem weitergeleitet. Dieser Weiterleitungsvorgang einer durch den Sinnesreiz ausgelösten Erregung im Nervensystem ist übrigens kein rein physikalischer Vorgang, wie wir ihn etwa von der Fortleitung eines elektrischen Signals in einem leitfähigen Kabel kennen. Vielmehr basiert die Reizleitung in den Nerven auf einer komplexen Abfolge chemischer und physikalischer Vorgänge.

So werden etwa in den synaptischen Spalt zwischen zwei Nervenabschnitten winzige Mengen spezieller chemischer Substanzen (Neurotransmitter) entleert, wandern auf die gegenüberliegende Seite des Spalts, werden dort wieder angelagert, chemisch aufgespalten, und diese Spaltprodukte werden wieder zurückgeführt. Ein munterer chemischer Reigen, der allein für eine Nervenleitung in Bewegung gesetzt wird – und das auch noch tausendfach in jeder Sekunde.

Der Stoffwechsel kennt also auch in dieser Hinsicht keine Unterbrechungen – vom ersten Sinnesreiz bis zur Bewusstwerdung des Sinneseindrucks im Gehirn. Denn auch das Gehirn ist nicht etwa ein computerähnliches Organ, in dem es vor allem auf die elektrischen Leitungs- und Schaltvorgänge ankommt. Bei näherer Betrachtung erweist sich unser Gehirn vielmehr als ein ganz und gar »chemisches Organ«. Dies wird insbesondere dann sehr deutlich, wenn die innere Chemie des Gehirns (der tatsächlich sogenannte Gehirn-Stoffwechsel) gestört ist. Schon bei einem Mangel geringster Mengen bestimmter Substanzen können starke Ausfallerscheinungen auftreten, z.B. bei der Parkinson’schen Krankheit.

Selbst in der optischen Wahrnehmung unserer Umgebung durch das Auge ist nicht etwa ein physikalischer Prozess (Auftreffen der Lichtwelle auf die Fotosensoren in der Netzhaut) das Entscheidende. Vielmehr schaffen auch hier erst kaskadenartig aufgebaute chemische Vorgänge die Verbindung zwischen Außen und Innen. Das Licht trifft auf die Rezeptoren in der Netzhaut. Bereits ein einzelnes Lichtteilchen von genügend großer Energie reicht aus, um einen speziellen chemischen Stoff im Rezeptor (Sehpurpur, Rhodopsin) chemisch zu verändern. Dieser chemische Elementarvorgang wiederum löst eine Lawine von weiteren chemischen Vorgängen aus, die in der Folge wieder zu einem Nervenreiz und der erwähnten verwickelten physikalisch-chemischen Weiterleitung bis zum Gehirn und damit zur eigentlichen Wahrnehmung führen.

Beim Hören dagegen herrscht tatsächlich zunächst einmal die »reine Physik«: Die Schallwellen treffen im Ohr auf das Trommelfell, werden dort durch die Gehörknöchelchen mechanisch umgelenkt und in eine Schwingungsbewegung des ovalen Fensters umgewandelt, das die Schwingungen zu den Sinneszellen des Innenohrs weiterleitet. Aber spätestens dort setzt wieder ein chemischer Umwandlungsprozess ein. Durch die Bewegung der Sinneshärchen im Innenohr werden in ihnen chemische Substanzen freigesetzt, die wiederum feine elektrische Potenziale aufbauen und auf diese Weise endlich zu einer in Nervenbahnen fortleitbaren Erregung führen.

Auch bei der haptischen Wahrnehmung durch unseren Tastsinn oder bei der Wahrnehmung unserer Lage oder Bewegung im Raum durch den Gleichgewichtssinn wirken zwar mechanische Vorgänge als Auslöser; die Umsetzung dieser mechanischen Anfangsvorgänge in eine fortleitungsfähige Erregung der Nervenbahnen erfolgt jedoch wieder durch komplexe chemische Vorgänge.

Gerade im Zusammenleben mit Kleinkindern können wir durch aufmerksames Beobachten erfahren, wie sehr die Kinder der Außenwelterfahrung durch alle Sinne ganz hingegeben sind. Die Eindrücke der Umwelt fluten fast ungefiltert in den kindlichen Leib hinein. Erst später, im Verlauf des kindlichen und jugendlichen Wachstums, schaffen zunehmende Erfahrungen und Reflexionen sinnliche Wahrnehmungen, die durch das Bewusstsein mehr oder weniger rational verändert werden. Aber die elementaren physikalisch-chemischen Prozesse der Sinneseindrücke können wir nicht beeinflussen.

Im Kern sind es also chemische Stoffwechselprozesse, die uns Menschen überhaupt aus dem Zustand des völligen Eingeschlossenseins in unseren Leib befreien und uns die »sensationelle« (= sinnlich erfahrbare) Welt da draußen eröffnen. Chemische Prozesse sind für uns dementsprechend nicht nur eine Frage auf Leben und Tod, sondern auch der Schlüssel zu unserer Befreiung aus dem Gefängnis unseres Leibes mithilfe unserer Wahrnehmungsorgane.4 Und schließlich führen uns die chemischen Prozesse in unserem Gehirn selbst aus dem dichten Nebel der bewusstlosen reinen Existenz und Wahrnehmung in die Klarheit des Bewusstseins, der bewussten Reflexion und Erinnerung.

Kann es für unser Menschsein Bedeutsameres geben? Und ist es nicht ausgesprochen seltsam, ja geradezu paradox, dass die allermeisten Menschen ausgerechnet für diese Vorgänge, die so elementar über ihr Sein und Bewusstsein bestimmen, kein Interesse und schon gar kein Verständnis aufbringen? Sollte es nicht vielmehr so sein, dass sich alle Menschen – und zwar zunächst nur um ihrer selbst willen – für chemische Grundprozesse interessieren? Auch wenn dies Interesse im Einzelfall nicht sehr tief reichen mag, sollte doch jeder Mensch zumindest zur Kenntnis nehmen, wie untrennbar die intime Chemie des eigenen Leibes mit den Bedingungen der menschlichen Existenz verknüpft ist.

Auch um diese Kenntnisnahme zu fördern und ein zumindest grundsätzliches Interesse an der Wunderwelt der Chemie zu wecken, wurde dieses Buch geschrieben.

Der Austausch, der uns lebendig hält

In unseren Sinneserlebnissen sind wir offensichtlich ganz »Nehmende«. Die Impulse, durch die unsere Sinnesorgane gereizt werden, kommen von außen und wirken von außen nach innen, nicht umgekehrt. Auge und Ohr, Zunge und Nase, Haut und Haar sind Empfänger, keine Sender. Unsere Sinne nehmen Gerüche, Geschmacksstoffe, Töne, Berührungserlebnisse, Licht- und Farbwirkungen von außen auf, stoßen dabei chemische Prozesse an, die dann weitere Wirkungen in unserem Inneren entfalten – eine Art kommunikativer Einbahnstraße.

Ganz anders sieht das mit unserem Stoffwechsel im eigentlichen Wortsinne aus. Durch ihn stehen wir in permanentem Austausch mit unserer Umwelt. Auch dieser Austausch geschieht, ohne dass er uns bewusst werden muss. Im Gegenteil: Oft bemerken wir ihn erst, wenn es dabei Probleme gibt. Störungen der Verdauung, der Atmung, des Blutkreislaufs sind Störungen des Austausches der Stoffe zwischen unserem Leib und der Umgebung und machen uns oft erst darauf aufmerksam, dass überhaupt ein Stoffwechsel stattfindet.

Der erste und wohl bedeutsamste Austausch von Stoffen mit unserer Umgebung geschieht bei der Atmung. Höchstens einige Dutzend Sekunden können wir diesen Luftaustausch ohne schwerwiegende Folgen für unsere Gesundheit einstellen. Apnoe-Taucher bringen es durch langes Training auf etliche Minuten, in denen keinerlei Einatmung stattfindet. Der »Regelbetrieb« hingegen sieht vor, dass wir alle paar Sekunden aus- und einatmen. Dieser rhythmische Vorgang füllt unsere Lungen immer wieder mit sauerstoffreicher Luft aus der Umgebung. Wäre unsere Lunge lediglich eine Art Blasebalg, der gefüllt und wieder entleert wird, würde – außer einer zusätzlichen Befeuchtung des ausgeatmeten Gasgemisches – nichts geschehen. Erst ein chemischer Vorgang in den Membranen bzw. Kapillaren unserer Lungenbläschen bewirkt den entscheidenden Effekt.

Dort gelangt nämlich der Sauerstoff aus der Atemluft in Kontakt mit dem arteriellen Blut des Blutkreislaufs und wird durch eine hochkomplizierte, vielatomige, eisenhaltige Substanz in den roten Blutkörperchen – das Hämoglobin – chemisch gebunden. Gäbe es diese chemische Bindung nicht, wäre ein Transport des Sauerstoffs in unserem Blutkreislauf nicht möglich. Eine rein physikalische Lösung des Sauerstoffs in unserer Blutflüssigkeit (etwa so, wie das Gas Kohlendioxid im Sprudel gelöst ist) würde viel zu wenig von diesem Stoff transportfähig machen – wir würden trotz ausreichendem Sauerstoffangebot glatt ersticken.

Dies wird dann besonders deutlich, wenn statt der üblichen und notwendigen chemischen Reaktion des Atemsauerstoffs mit dem Bluthämoglobin andere, unerwünschte Gase gebunden werden. Bei einer Vergiftung etwa mit Kohlenmonoxid (z.B. durch einen Ofen mit unvollständiger Verbrennung) ist die chemische Bindung des Kohlenmonoxids an das Hämoglobin noch viel fester als die entsprechende Bindung des Sauerstoffs. In der Konkurrenz zwischen Sauerstoffbindung und Kohlenmonoxidbindung gewinnt daher das giftige Gas die Oberhand und blockiert die lebensnotwendigen Transportmittel regelrecht. Dem Hämoglobin steht dann zwar Sauerstoff zur Verfügung, dieser kann jedoch nicht mehr chemisch gebunden werden. Auch hier kommt es zu einer Erstickung – und das bei vollkommen ausreichendem Angebot an Sauerstoff.

Im gesunden Normalfall wird also durch den Stoffwechsel zwischen Atemsauerstoff und Hämoglobin das lebensnotwendige Gas auf chemische Weise in eine transportfähige Form überführt. So kann der Sauerstoff durch die roten Blutkörperchen von den Lungenbläschen in das Körperinnere hineingeschleust werden. Aber auch dieser Vorgang wäre unnütz, wenn der auf diese Weise im Blutstrom transportierte Sauerstoff auf Dauer an das Hämoglobin gebunden bliebe. Irgendwann würde das »Sauerstofftaxi« durch den Blutkreislauf wieder an seinen Ausgangspunkt in den Lungenbläschen gelangen – und nichts wäre gewonnen.

Der Transport des Sauerstoffs im Blut nützt folglich nur etwas, wenn das Lebenselement an den richtigen Stellen auch wieder aus dem Taxi aussteigen kann. Auch dazu bedarf es wieder einer chemischen Reaktion, also eines Wechsels der Stoffe. Gelangt das sauerstoffbeladene Hämoglobin nämlich auf seinem Weg durch den Blutkreislauf an bestimmten Zellen vorbei, in denen energiereiche, kohlenstoffhaltige Inhaltsstoffe der Nahrung, wie z.B. Zucker, in einem reaktionsfähigen Zustand bereitgehalten werden, kommt es zu einem erneuten Austausch der Stoffe.

Hierbei geht der bislang an das Hämoglobin gebundene Sauerstoff auf die Zuckermoleküle über und wandelt diese in Oxidationsprodukte des Zuckers um. Durch eine solche chemische Oxidationsreaktion wird Energie frei, die der Körper zur Aufrechterhaltung seiner Lebensfunktionen, für den Wärmehaushalt, für die Bewegung der Muskeln, für den Betrieb des Gehirns benötigt. Auch für den Anstoß weitergehender chemischer Reaktionen, etwa zum Aufbau notwendiger Substanzen wie der Hormone, wird die Energie genutzt, die bei der Oxidation von Substanzen aus der Nahrung frei wird.

Zu einer Oxidationsreaktion gehören immer zwei Partner – einer, der oxidiert (in diesem Fall der Sauerstoff), und einer, der oxidiert wird (in diesem Fall der Zucker). Das Ergebnis jeder chemischen Umwandlung sind neue Stoffe (Produkte), die aus den eingesetzten Stoffen (Edukten) hervorgehen. Bei der Oxidation der Substanzen in unserer Nahrung ist das Endprodukt jedenfalls stets Kohlendioxid – hier liegt der in der Nahrung enthaltene Kohlenstoff in seiner physiologisch maximal möglichen Oxidationsstufe vor. Die in den kohlenstoffbasierten Nahrungsstoffen enthaltene Energie wird diesen Stoffen in höchstmöglichem Umfang entzogen und dem Körper zur Verfügung gestellt – das ist unser perfekt arbeitendes biologisches »Kraftwerk«.

Summarisch ist dabei also Folgendes passiert: Energiereiche Kohlenstoffverbindungen haben mit Sauerstoff unter Energiefreisetzung reagiert und energiearmes Kohlendioxid hinterlassen. Die Menge an Kohlenstoff ist dabei unverändert geblieben, nur der Energiegehalt der Kohlenstoffverbindungen hat sich drastisch verringert. Kohlendioxid ist damit zum End- oder Abfallprodukt dieses lebensnotwendigen Stoffwechselvorgangs geworden.

Abfall, der nicht beseitigt wird, führt bekanntlich zu Problemen, weil er sich im Übermaß an seinem Ablageort anreichert. Glücklicherweise hat die Evolution unseres Organismus zu verhindern gewusst, dass wir zu »Kohlendioxid-Messies« werden und damit an diesem Stoffwechsel-Abfallprodukt ersticken. Vielmehr haben sich effektive Entsorgungsmaßnahmen entwickelt, die einen Kohlendioxidüberschuss in unserem venösen Blut verhindern. Das Raffinierte an dieser Entsorgungsstrategie ist nun, dass der Abfall unseren Leib genau an der Stelle verlässt, an welcher der primäre Stoffwechsel-Aktivist, der Sauerstoff, unseren Körper betreten hatte: In der Lunge, präziser gesagt: in den Lungenbläschen.

Genau dort nämlich, an der umgebungsseitigen Oberfläche der Lungenbläschen, wird die Kohlendioxidladung des (venösen) Blutes ins Freie befördert und durch den Atemstrom aus der Lunge und dann aus dem Körper herausgeführt. Goethe, der viel von der Chemie des Lebendigen wusste, hat in seinem West-Östlichen Diwan für diesen polaren Prozess wunderbare Worte gefunden: »Im Atemholen sind zweierlei Gnaden: Die Luft einziehen, sich ihrer entladen; Jenes bedrängt, dieses erfrischt; So wunderbar ist das Leben gemischt.« Oder chemisch ausgedrückt: Wir nehmen im Einatmen Sauerstoff auf und entledigen uns im Ausatmen des Kohlenstoffs. Unsere Lunge ist also nichts anderes als ein hochwirksam gestaltetes Organ für den Austausch der Stoffe.

Erst bei Erkrankungen des Stoffwechsels wird uns bewusst, welche Einschränkungen diese Störungen bedeuten. Bereits geringfügige Abweichungen von der perfekten Balance der Hormone, vom harmonischen Konzert der Botenstoffe, vom wohldosierten Austausch der Ionen führen zu schweren Störungen der Befindlichkeit sowie des körperlichen und mentalen Leistungsvermögens. Viele der typischen »Zivilisationskrankheiten« sind in ihrem materiellen Kern Stoffwechselerkrankungen.

Betrachten wir diese Prozesse des körpereigenen Stoffwechsels aufmerksam, dann kommen wir unweigerlich zu der Erkenntnis: Die Wege der Stoffe in unserem Leib und durch ihn hindurch sind offensichtlich auf perfekte, bewunderungswürdige Art miteinander verknüpft und verwoben. Sie bedingen und fördern sich gegenseitig auf höchst harmonische Weise. Können wir darin nicht eine Art Vorbild sehen, wie ein erfolgreicher und gleichzeitig verträglicher Stoffwechsel in einer zukünftigen Chemie auszusehen hat?

Stoffe und Stoffwechsel in der Natur

Unser Organismus ist in stofflicher Hinsicht ein unglaublich vielfältiger Komplex aus natürlichen chemischen Substanzen, die noch dazu in ständige Aufbau-, Abbau- und Umbauprozesse eingewoben sind. Damit ist der Mensch aber keine einzigartige Erscheinung, sondern nur ein kleiner Widerschein des riesigen, lebendigen chemischen Naturlaboratoriums, als das unsere belebte Umwelt betrachtet werden kann. Nach einem alten, wirkmächtigen Bild aus der Renaissance können wir den Menschen somit als wahren Mikrokosmos betrachten, als eine »kleine Welt«, als Abbild der »großen Welt« des Makrokosmos, den unsere gesamte Biosphäre bildet.

Die chemischen Vorgänge in der Tierwelt ähneln den chemischen Vorgängen in uns Menschen natürlich in vielerlei Hinsicht. Das ist angesichts einer über lange Strecken gemeinsamen Entwicklung dieser Prozesse im Verlauf der Jahrmillionen währenden Evolution kein Wunder. Manche Säugetiere, die uns physiologisch recht ähnlich sind, haben indes eigene Verfahren der Verdauung entwickelt, um sich bestimmte Nahrungsquellen zugänglich zu machen. Kühe beispielsweise besitzen ein raffiniertes System von mehreren Mägen mit unterschiedlicher chemischer und mikrobiologischer Ausstattung und können so das chemische Wunder vollbringen, aus scheinbar einfach strukturierten Substanzen wie Gras oder Heu ihren eigenen Leib aufzubauen und zusätzlich diese Ausgangsstoffe in Milch zu verwandeln.

Andere Tiere haben ganz andersartige Patente für ihren Stoffwechsel entwickelt. So dient bei den meisten Schnecken nicht der rote (eisenhaltige) Blutfarbstoff Hämoglobin als Transportmittel für den lebensnotwendigen Sauerstoff, sondern eine ganz anders aufgebaute Substanz namens Hämocyanin. Dieser Blutfarbstoff verdankt seine Funktionalität als komplexes organisches Molekül nicht dem Eisen, sondern dem Kupfer. Das führt unter anderem dazu, dass bei einer Weinbergschnecke das mit Sauerstoff gesättigte Blut nicht rot, sondern bläulich schimmert.

Einfachere Organismen wie manche Bakterien können aufgrund der chemischen Eigenschaften ihrer unmittelbaren Umgebung sogar ganz auf den Sauerstoff als wichtigstes Reaktionsmittel des Stoffwechsels verzichten und auch in sauerstofffreiem (anaerobem) Milieu überleben. Sie nutzen stattdessen z.B. die Schwefelverbindung Sulfat als Oxidationsmittel, um damit unter Umsetzung organischer Säuren die für ihren Stoffwechsel notwendige Energie zu erzeugen.

Im Regelfall haben sich jedoch die Tiere und Bakterien unserer Biosphäre auf den Sauerstoff als treibende Kraft ihres Stoffwechsels konzentriert. Trotz des enormen Spektrums an Größe, Gestalt und biologischer Funktion ist bei diesen Lebewesen die Oxidation von kohlenstoffhaltigem Material (»Nahrung«) mittels Sauerstoff zu Kohlendioxid – unter gleichzeitiger Erzeugung von Energie – das vorherrschende Grundprinzip.

Mit diesem Grundprinzip – für sich genommen – blieben in der Biosphäre jedoch drei wesentliche Probleme ungelöst. Erstens: Woher kommen die energiereichen, kohlenstoffhaltigen Nahrungsmittel für die Tiere und Bakterien (und für den Menschen)? Zweitens: Woher kommt der für ihre Oxidation nötige Sauerstoff? Drittens: Wo bleiben die durch ihren Stoffwechsel als End- und Abfallprodukt erzeugten großen Mengen an Kohlendioxid?

Die Evolution hat für alle drei Probleme eine geniale Kombinationslösung gefunden. In perfekter Kongruenz zu den Tieren und Bakterien hat sie eine Klasse von Lebewesen entstehen lassen, für die der Abfallstoff »Kohlendioxid« das wesentliche Nahrungsmittel darstellt – und die im Gegenzug in ihrem eigenen Stoffwechsel aus diesem Kohlendioxid (mithilfe von Wasser, wenigen Mineralstoffen und Spurenelementen) nicht nur kohlenstoffhaltige Produkte wie Zucker, Stärke, Fette, Eiweiß und Tausende andere Substanzen erzeugen, sondern auch noch Sauerstoff!

Erst durch diese quasi antagonistische »Erfindung« jener Lebewesen, die wir hauptsächlich als Pflanzen oder Algen kennen, ist in der Sphäre der belebten Welt überhaupt so etwas wie Wachstum, Entwicklung und (dynamisches) Gleichgewicht möglich geworden. Was die Tiere erzeugen, benötigen die Pflanzen. Was die Pflanzen erzeugen, benötigen die Tiere (und Menschen). Was auf der einen Seite aufgebaut wird (und bei ungehemmtem Wachstum zum stofflichen Problem»müll« werden könnte), wird auf der anderen Seite dekonstruiert und abgebaut – und umgekehrt. What a wonderful world!

Ein Problem musste in dieser scheinbar perfekten Welt des Lebendigen aber doch noch gelöst werden: das Problem der Energie. Die Tiere haben es vergleichsweise einfach: Ihre Nahrung aus Kohlehydraten, Fetten, Eiweißstoffen und anderen kohlenstoffhaltigen Substanzen ist aufgrund ihrer hohen chemischen Komplexität sehr energiereich. Es genügt daher, diese Nahrung im Verdauungsprozess »abzubauen« (wie geschildert, durch Oxidation mithilfe von Sauerstoff). Mit diesem oxidativen Abbau von komplexen Kohlenstoffverbindungen kann leicht Energie erzeugt werden – wie jedes in sauerstoffhaltiger Luft brennende Stück Holz beweist.

Den Pflanzen hingegen fehlt ein solcher stofflicher Energielieferant. Die beiden wesentlichen »Nahrungsmittel« der Pflanze, Kohlendioxid und Wasser, sind vergleichsweise energiearm, liegen beide praktisch schon auf dem energetisch minimalen Level, von dem aus es nicht »noch tiefer« geht. Woher nehmen nun also die Pflanzen den notwendigen energetischen Input, um aus den trägen, energiearmen Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser so energiereiche Substanzen wie Fette und Öle zu synthetisieren?

Der geheimnisvolle Antrieb dieser pflanzlichen Syntheseprozesse und damit das »primum movens« der ganzen Biosphäre ist – die Sonne. Sie überschüttet die Erdoberfläche freigiebig und praktisch unerschöpflich mit einem Strom von Energie in Form von Licht unterschiedlicher Wellenlänge – vom eher wärmenden, langwelligen, roten und infraroten Licht über das ganze Farbspektrum hinweg bis zum chemisch aktiveren, besonders energiereichen violetten und ultravioletten Licht. Sonnenlicht, solarer Energiestrom, struktur- und ordnungsbildende »Syntropie«5 der Sonne sind das ganze Geheimnis!

Mit der »Erfindung« der Fotosynthese (nichts anderes ist die pflanzliche Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in komplexe Kohlenstoffverbindungen mithilfe der Energie des Sonnenlichts) hat die Biosphäre eine wahrhaft emanzipatorische Tat vollbracht und sich unabhängig von den erdgebundenen Energiequellen gemacht. Da die solare Energiequelle nicht auf der Erde selbst beheimatet ist, brauchen sich die Lebewesen in der Biosphäre auch nicht mit den gefährlichen Nebenwirkungen und Abfallprodukten herumschlagen, mit denen ansonsten jede Art von Energieerzeugung hier auf der Erde unvermeidlich verbunden ist. Also ein weiterer »genialer Schachzug« der Evolution: Die Biosphäre hat einen Sicherheitsabstand (ca. 150 Millionen Kilometer) zwischen der thermonuklearen Hölle ihres einzigen Energielieferanten und sich selbst genutzt – gerade groß genug, um nicht zu Schaden zu kommen, und doch dicht genug, um ein Optimum an Energie zu erhalten.

Wie sich im Reich der Tiere und Bakterien eine unüberschaubare Vielfalt von Arten entwickelt hat, die je für sich einen spezifischen Stoffwechsel besitzen, so hat sich im Reich der Pflanzen ein ebenso überwältigender Reichtum an Arten, Formen, Farben und Funktionen herausgebildet. Beide Reiche ergänzen sich perfekt – oder taten dies doch zumindest, bis der Mensch mit seinem Streben, sich die Erde untertan zu machen, diese immer wieder neu und mühsam ausbalancierten dynamischen Gleichgewichte ins Wanken brachte.

Glücklicherweise besitzt die Biosphäre ein ausgeprägtes Anpassungsvermögen. Diese biologische Elastizität hat dafür gesorgt, dass katastrophale Ereignisse (etwa gigantische Vulkanausbrüche, Meteoriteneinschläge, radikale Veränderungen der Atmosphärenzusammensetzung und starke Schwankungen der Meeresspiegel) über die Erdgeschichte hinweg keine vollständige Auslöschung des Lebens bewirken konnten. Der Mensch hat durch seine massiven Einwirkungen zwar einen beängstigenden Rückgang der Artenvielfalt bewirkt und ganze Lebensräume großflächig zerstört, aber er hat – bislang jedenfalls – der Biosphäre noch nicht die Fähigkeit zur Regeneration und Anpassung nehmen können.

Trotz aller Beeinträchtigungen und Eingriffe ist ein staunenswertes Reich des lebendigen Werdens, Wachsens und Vergehens erhalten geblieben, und das einstige Bild der perfekten stofflichen Harmonie und Balance ist dem aufmerksamen und liebevollen Sinn noch erkennbar. Damit werden die chemischen Prozesse, die in unserem Innern und in den anderen Organismen der Biosphäre ohne unser bewusstes Zutun ablaufen, auch zu einer Art Vorbild für wirklich lebensverträgliche Methoden, chemische Stoffe miteinander interagieren zu lassen. An diesem Vorbild wird sich eine künftige Chemie messen lassen müssen!

Der Stoffwechsel ist der Prozess, der den Menschen am grundlegendsten mit allen Lebewesen verbindet. Die Bedingungen für einen funktionierenden, unbeeinträchtigten Wechsel der Stoffe vereint den Menschen mit jedem anderen Lebewesen – bis hin zum Einzeller! – in einer allumfassenden biochemischen Schicksals- und Interessengemeinschaft. Der vielbeschworene »Erhalt der natürlichen Lebensgrundlagen« ist im Grunde nichts anderes als die Bewahrung der evolutionären Voraussetzungen für einen unbeeinträchtigten Stoffwechsel der Lebewesen. In dem genannten Sinne ist dieser ungestörte Wechsel der Stoffe also auch eine unverzichtbare Vorbedingung für die physische, seelische, geistige und soziale Freiheit des Menschen.

Chemieindustrie bricht die Patente der Natur

Die Natur selbst hat in den vergangenen Jahrmillionen die zuvor beschriebenen chemischen Prozesse und Stoffe »erfunden«, »getestet«, »verworfen« oder »für tauglich befunden«.6 Im Zuge dieses äonenlangen Prozesses sind – im übertragenen Sinne – Millionen von »chemischen Patenten« entstanden. Diejenigen Verfahren und Stoffe, die sich für die Entwicklung der Organismen als förderlich erwiesen haben, fanden Eingang in eine riesige biochemische Schatzkiste.

Auf den reichen Inhalt dieser Schatzkiste können alle Organismen für ihren jeweils spezifischen chemisch-physiologischen Bedarf an Substanzen und Verfahren zurückgreifen. Das Wort von der Schatzkiste ist dabei mehr als eine Metapher. Schließlich handelt es sich bei den »Stoffwechselpatenten« der Biosphäre um den wohl mit weitem Abstand größten – aber auch bedrohtesten – Reichtum, über den unser Blauer Planet verfügt.

Der ökonomische Gegenwert dieser »Patentsammlung« der Biosphäre übersteigt das ökonomische Volumen aller globalen menschengemachten Industrie wohl um ein Vielfaches.7 Seit Urzeiten hatte die Natur ein Monopol auf die Anwendung chemischer Vorgänge und Substanzen. Wer hätte ihr in den Äonen denn auch Konkurrenz machen sollen bei der immerwährenden Synthese, biologischen Nutzung und Dekonstruktion der notwendigen Stoffe?

Aber seit etwa 150 Jahren hat sich diese Situation grundlegend gewandelt. Mehr und mehr trat ein neuer Global Player im Reich der Stoffe und ihrer Umwandlungen auf den Plan und machte der Biosphärenchemie zunehmend Konkurrenz. Eine vom Start weg erfolgreiche neue Wissenschaft und die aus ihr entwickelte machtvolle Technologie prägten seit Mitte des 19. Jahrhunderts das Weltgeschehen. An ihrer Wiege stand eher der Zufall, aber sehr rasch wuchs die neue Industrie zu einem der bedeutendsten, renditestärksten und kapitalkräftigsten Wirtschaftszweige heran.

Diese starke und sehr einflussreiche Position hat die chemische Industrie bis heute unvermindert aufrechterhalten können. Eine tolle Erfolgsgeschichte, wenn auch mit vielen Schattenseiten und enormen Kollateralschäden für Mensch und Umwelt. Doch die chemische Industrie muss sich in der unmittelbaren Zukunft ganz neu erfinden, um diese Erfolgsgeschichte fortsetzen zu können. Die Voraussetzungen, die über eineinhalb Jahrhunderte tragfähig waren, haben sich nämlich inzwischen radikal geändert. Von diesem spannenden Transformationsprozess, seinen Chancen, aber auch den bereits erkennbaren Abwegen, handelt das vorliegende Buch.8 Und buchstäblich jeder Mensch auf der Erde wird von dem bevorstehenden Stoff-Wechsel betroffen sein, ob er es will oder nicht.

Der Ausgangspunkt dieser unvergleichlichen und auch wirtschaftshistorisch höchst interessanten Entwicklung war eigentlich ein lästiges Problem, ein unangenehmes Abfallprodukt: Steinkohlenteer. Dieser Teer entstand unvermeidlich und in großen Mengen bei der Herstellung von Leuchtgas und Koks aus Steinkohle – zwei Schlüsselprodukten der frühen Industrialisierung. Der Koks wurde als Reduktionsmittel für die Herstellung von Gusseisen und Stahl aus Eisenerz benötigt, das Leuchtgas brachte in den größeren Städten durch die zunehmend helle Beleuchtung der Fabriken, Straßen und später auch Haushalte erhebliche Veränderungen des Tagesablaufs mit sich.

Nun entstand aber bei der Verkokung von Steinkohle neben diesen beiden erwünschten Produkten auch, als zunächst höchst unerwünschtes Nebenprodukt, Steinkohlenteer: eine übelriechende, zähflüssigklebrige und noch dazu giftige Masse, für die – außer als Pilz- und Insektengift bei der Tränkung von Eisenbahnschwellen und anderen Holzbauteilen mit Erdkontakt – kaum eine sinnvolle Verwendung erkennbar war.

1834 entdeckte der Chemiker und Technologe Friedlieb Ferdinand Runge jedoch, dass man aus dem im Steinkohlenteer enthaltenen Anilin (eine stickstoffhaltige Kohlenstoffverbindung mit ringförmigem Molekülaufbau) durch Einwirkung weiterer Chemikalien Farbstoffe herstellen konnte, die aufgrund ihrer stofflichen Basis anfangs Anilinfarben, später Teerfarben genannt wurden.

Nachdem Runges Entdeckung zunächst ohne wirtschaftlichen Nutzen schien, änderte sich die Situation schlagartig, als 1856 der englische Chemiker William Henry Perkin aus Bestandteilen des Steinkohlenteers einen faszinierend brillanten, malvenfarbenen Farbstoff (Mauvein, Anilinpurpur) erzeugte und diesen sowie weitere synthetische Farbstoffe ab 1857 in kleinindustriellem Maßstab herzustellen begann.

Die neuen, leuchtenden Teerfarben veränderten in kürzester Zeit die Mode (auf der Weltausstellung 1862 in London waren mit Mauvein gefärbte Kleider eine Sensation) wie auch die gesamte Industrielandschaft. Innerhalb weniger Jahre wurden – vor allem in Deutschland, der Schweiz, England und den USA – zahlreiche Chemiefabriken neu gegründet (Agfa, DuPont, CIBA, Geigy, Farbwerke Hoechst, Bayer, Sandoz, Cassella und viele andere), die trotz zwischenzeitlicher Namensänderung, Eigentümerwechsel und Umstrukturierungen teilweise bis heute existieren.

Die Umwandlung eines praktisch kostenlosen Rohstoffs in gefragte und wertvolle Farbstoffe spülte diesen frühen Chemiefabriken märchenhafte Gewinne in die Kassen, auch wenn manche Neugründungen im Zuge des immer aggressiveren Wettbewerbs bald wieder verschwanden. Diejenigen Unternehmen, die sich durchsetzen konnten, wuchsen hingegen sehr bald zu den größten, reichsten, mächtigsten und auch politisch einflussreichsten Unternehmen des ausgehenden 19. und frühen 20. Jahrhunderts heran.

Weiter beflügelt wurde dieser wirtschaftliche Boom, als in den 1880er-Jahren – wieder eher zufällig – eine ganz neue Verwendungsmöglichkeit der synthetischen Farbstoffe entdeckt wurde: Man fand heraus, dass manche dieser Anilinfarben in der Lage waren, Bakterien und andere Mikroorganismen abzutöten. Damit konnten sie auch als Arzneimittel bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten wie Malaria genutzt werden.

Als dann durch intensive Forschungsanstrengungen in den frühen chemischen Unternehmen auch noch Wege zum Ersatz natürlicher Harze durch synthetische Polymere (»Kunststoffe«) und natürlicher Aromen durch synthetische Duftstoffe gefunden wurden, erreichte die Branche eine bis dahin unbekannte gesellschaftliche Relevanz und Machtfülle.

Die Basisinnovation hinter all diesen Erfolgen der frühen chemischen Industrie war nun stets das Durchbrechen eines der genannten »Stofferzeugungspatente« der Natur. Vordem waren nur Pflanzen wie die Indigopflanze und Tiere wie die Purpurschnecke in der Lage gewesen, aus einfachen Bausteinen komplexe und wertvolle Farbstoffe zu synthetisieren. Polymere zu synthetisieren war ein Privileg harzabsondernder Bäume, medizinisch wirksame Substanzen wurden bis dahin nur aus Heilpflanzen gewonnen, das Reich der Duftstoffe und Aromen beherrschten ätherische Öle aus Blüten und anderen Naturprodukten.

Wie selten zuvor stand die Menschheit durch das Auftreten und den gigantischen Erfolg dieser frühen chemischen Industrie vor einem radikalen Wandel ihrer Alltagswelt. Neue Materialien, neue Gerüche (nicht immer angenehme), neue Farbnuancen, aber auch ganz neue Kampfmittel gegen tödliche Krankheiten (und leider auch Kampfmittel, die zunehmend in Kriegen eingesetzt wurden) veränderten das Leben der Menschen grundlegend. Bis hinein in den eigenen Stoffwechsel reichten die Veränderungen durch diesen Wechsel der Alltagsstoffe, denn der menschliche Organismus wurde mit ihm zuvor ganz fremden Substanzen konfrontiert.

Wie jede Revolution hatte auch dieser einschneidende Wandel unserer stofflichen Umgebung ab Mitte des 19. Jahrhunderts sehr viele Licht-, aber auch bittere Schattenseiten. Auch von den Schattenseiten muss berichtet werden – und das nicht nur um der historischen Wahrheit willen, sondern auch als Mahnung zur Wachsamkeit, was den jetzt vor uns liegenden erneuten Wechsel der Stoffe betrifft.

Eine neue Art Stoffwechsel durch industrielle Chemie

Bis vor wenigen Jahrhunderten war es fast ausschließlich die biologische Aktivität der unterschiedlichen Lebewesen, durch die es zu einer Aufnahme von Stoffen aus der Biosphäre und zur Abgabe anderer Stoffe an die Biosphäre kam.9 Wir haben gesehen, wie wunderbar weisheitsvoll die Stoffwechselvorgänge von Pflanzen, Tieren und Menschen miteinander verzahnt und ineinander verwoben sind, zu wechselseitigem Vorteil. Der externe Stoffwechsel zwischen den Organismen und der Umwelt war über Jahrmillionen intakt und ermöglichte die nachhaltige Entwicklung aller Beteiligten. Die erfolgreiche Evolution der Lebewesen zu einer unglaublichen Vielfalt von Arten ist der unwiderlegbare Beweis für die Bioverträglichkeit dieser ursprünglichen Stoffwechselvorgänge zwischen Organismen und Umwelt.

Mit dem Auftreten der chemischen Industrie, die – weltgeschichtlich gesehen – erst einen Wimpernschlag lang existiert, hat sich dieses Bild nach und nach völlig geändert. Hier ist ein neues, menschengemachtes »Lebewesen« auf den Plan getreten, das eine ganz andere Art von Stoffwechsel mit der Welt aufgenommen hat. Wie ein neuartiger, riesiger (technischer) Organismus benötigen die Chemiefabriken »Nahrung« in Form von Rohstoffen, »verdauen« diese durch Zugabe von verschiedenen Reagenzien (meist unter Energiezufuhr) und liefern am Ende sowohl die gewünschten chemischen Produkte als auch nicht nutzbare Abfälle als »Ausscheidungsprodukte«.

Ungeachtet dieser groben formalen Ähnlichkeit mit dem Stoffwechsel eines lebenden Organismus ist die Art, wie eine Chemiefabrik ihren Stoffwechsel mit der Umwelt organisiert und durchführt, in jeder Hinsicht radikal anders als bei den Lebewesen.

Das beginnt schon bei der »Nahrung«: Über 150 Jahre haben die Chemiefabriken weltweit hauptsächlich fossile Rohstoffe wie Steinkohlenteer, später Erdöl und Erdgas und in kleinem Umfang Steinkohle als Rohstoffbasis für ihre »organischen«, d.h. kohlenstoffbasierten Produkte genutzt.10 All diese Ausgangsstoffe wären als Nahrungsgrundlage für lebende Organismen – von wenigen exotischen Mikroorganismen abgesehen – absolut ungeeignet. Das gilt gerade für den Rohstoff Erdöl, der mit seinen physikalischen und toxikologischen Eigenschaften geradezu das Gegenbild eines bekömmlichen Nahrungsmittels darstellen würde.

Kein Stoffwechsel ist ohne energetischen Antrieb möglich – das gilt für den Stoffwechsel der lebenden Organismen ebenso wie für die stofflichen Umwandlungen in der chemischen Industrie oder im Labor. Für die Erzeugung der Energie, die wir Menschen für die Aufrechterhaltung unserer Lebensvorgänge benötigen, zweigen wir einfach einen Teil des Energieinhalts unserer Nahrung ab. Tiere und viele Mikroorganismen machen es ähnlich, wenn auch im chemischen Detail auf sehr unterschiedliche Weise. Und die Pflanzen nutzen bekanntlich die ihnen unentgeltlich zuströmende Energie des Sonnenlichts, um ihren ganz besonderen Stoffwechsel anzutreiben.

Während der menschliche, tierische und pflanzliche Stoffwechsel also über eine intrinsisch-autarke Energieversorgung verfügt, hat es eine chemische Fabrik nicht so einfach. Sie ist nicht nur auf Energiezufuhr von außen angewiesen, sondern muss auch noch dafür Sorge tragen, dass die zugeführte Energie die gewünschten chemischen Reaktionen einleitet. »Von allein« wandeln sich die Rohstoffe der Chemie nur selten in die gewünschten Endprodukte um.

Fatalerweise sind ausgerechnet die primären Rohstoffe der organisch-chemischen Industrie (Erdöl, Erdgas, Kohle) ziemlich reaktionsträge und neigen von sich aus praktisch nicht zu spontanen chemischen Umwandlungen11 – abgesehen davon, dass sie mit Sauerstoff leicht verbrannt werden können, was sie zur Energieerzeugung geeignet macht: außerhalb der Verwendung als Ausgangsbasis für chemische Produkte auch ihre Hauptanwendung. Die bei der Verbrennung entstehenden Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Wasser zählen aber wohl kaum zu den gut vermarktbaren Wunschprodukten der Chemiker.

Der Energieeinsatz bei der Stoffumwandlung in lebenden Organismen ist im Laufe einer langen Evolution hingegen perfekt optimiert worden. Mit einem Minimum an Energieverbrauch wird ein Optimum an gewünschten Stoffwechselprodukten gebildet – ohne dass Abfallprodukte entstünden, die das lebendige System gefährden.

Im Unterschied zur belebten Welt setzt die Chemie in Labor und Industrie die für die chemischen Reaktionen nötige Energie eher »grobschlächtig« ein. Die trägen Ausgangsstoffe werden einem großen Energieüberschuss ausgesetzt, um sie überhaupt dazu zu bewegen, sich in andere chemische Stoffe umzuwandeln. Dieser Energieüberschuss kann auf verschiedenste Weise in das System eingeführt werden. Entweder man verwendet Reagenzien, die von sich aus (durch vorausgegangene Verfahren) auf ein sehr hohes Energieniveau »gepumpt« wurden – beispielsweise Chlorgas oder Ozon. Oder das Reaktionsgemisch wird von außen hohen Temperaturen ausgesetzt, durch welche die enthaltenen Chemikalien energetisch ausreichend »aktiviert« werden. Eine weitere, oft genutzte Möglichkeit besteht darin, das Reaktionsgemisch in Kontakt mit reaktionsbeschleunigenden Stoffen (Katalysatoren) zu bringen, um auf diese Weise die energetischen Barrieren, die bei der gewünschten Reaktion zu übersteigen sind, abzusenken. Häufig werden in der Praxis Kombinationen mehrerer der genannten Verfahren gleichzeitig eingesetzt.

Eine wichtige Konsequenz dieses im Vergleich mit der belebten Welt eher grobschlächtigen Einsatzes von Energie in der industriellen Chemie ist das Entstehen zahlreicher unerwünschter Nebenprodukte. Der energetische Überschuss und sein oft eher unspezifisches Einwirken auf die betroffenen Moleküle der Ausgangsstoffe (Edukte) eröffnen diesen Edukten nämlich nicht nur den Weg zu den gewünschten chemischen Produkten. Vielmehr führen die durch die Energiezufuhr eröffneten Reaktionswege sehr oft auch zu einer Vielzahl anderer, unerwünschter Produkte, die unvermeidlich anfallen und die Effektivität des chemischen Prozesses stark herabsetzen.

Dank der Fachkenntnis und Kreativität der Chemiker und Verfahrensingenieure können manche dieser Nebenprodukte zu anderen, ebenfalls nutzbaren Produkten weiterverarbeitet werden (»Koppelproduktion«). Aber verglichen mit der Eleganz, Sparsamkeit, Zielgerichtetheit, Effektivität und Abfallarmut bei der chemischen Biosynthese z. B. in einem simplen Kräuterblatt mutet das durch die chemisch-technische Entwicklung der letzten 100 Jahre erreichte Niveau der menschengemachten Chemie doch immer noch recht bescheiden an.

Mit Blick auf eine nachhaltige Entwicklung der Biosphäre gibt es jedoch einen noch viel einschneidenderen und – im Wortsinne – fatalen Aspekt des Umwelt-Stoffwechsels der (organischen) Chemie. Der Stoffstrom der benutzten fossilen Rohstoffe kennt nämlich nur eine einzige Richtung: aus der Erde heraus, in die Umwelt der Biosphäre hinein – es gibt kein Zurück. Die hohe Eleganz und gleichzeitig Umweltverträglichkeit der Kreislaufführung beim biologischen Stoffwechsel der lebenden Organismen fehlt diesem Stoffstrom völlig. Statt eines Kreislaufs der Stoffe finden wir im Reich der industriell-organischen Chemie eine Einbahnstraße.

Dramatisch wird dieser fehlende stoffliche Kreisschluss allerdings erst angesichts der gigantischen Mengen an fossilen Rohstoffen, welche durch diese Einbahnstraße fließen. Was sich in Jahrmillionen als Kohlenstoffdeponie in den Erdöllagerstätten abgelagerte, wurde und wird nun innerhalb weniger Jahrzehnte durch den Menschen ans Tageslicht befördert, zu Chemieprodukten (und natürlich vor allem zu Energieträgern) verarbeitet – und findet keinen Weg zurück. Wir verbrauchen innerhalb nur eines Jahres die Menge an Erdöl, die in mehr als einer Million Jahren entstanden ist. Nach diesem Zeitmaßstab wird das Kohlenstoffdepot unter der Erde geradezu explosionsartig freigesetzt. Kein Wunder, dass dieses extreme Ungleichgewicht zu massiven Beeinträchtigungen innerhalb der Biosphäre führt.

Aus Euphorie wird Ernüchterung:Chemie hat Nebenwirkungen

Die Gründung der ersten Fabriken, in denen fossile Ausgangsstoffe wie Steinkohlenteer (und später Erdöl) zu chemisch-technischen Alltagsprodukten wie Farben, Kunststoffen, Kunstfasern, Medikamenten usw. verwandelt wurden, empfanden viele Menschen des späten 19. Jahrhunderts als eine sensationelle Befreiung von den Bindungen und Beschränkungen des »alten«, natürlichen Stoffkreislaufs.12 Durch den Fortschritt dieser neuen Art von Chemie schien alles möglich – und vieles wurde ja auch tatsächlich durch sie möglich gemacht: neuartige, hochwirksame Medikamente, Fasern mit vorher ungekannten Eigenschaften, Kunststoffe mit schier unbeschränkter Formbarkeit, schließlich sogar die Befreiung von den Grenzen des natürlichen Stickstoffkreislaufs durch die Entwicklung der ersten Kunstdünger.

Obwohl die erste Teerfarbenfabrik durch William Henry Perkin 1857 in England gegründet worden war, kam es sehr bald zu einer dominierenden Stellung solcher Fabriken in Deutschland. Treibende Kräfte dieser frühen Gründungswelle der modernen Chemieindustrie waren neben der wissenschaftlich-technischen (und durchaus nachvollziehbaren) Euphorie vor allem auch die enormen Renditechancen, die sich bei der Herstellung modisch akzeptierter, neuartiger Massenartikel aus praktisch kostenlosen Rohmaterialien wie Steinkohlenteer beinahe zwangsläufig einstellten. Die beispiellose wirtschaftliche und – auf dem Wege über massive Lobby- und PR-Arbeit – auch politische Macht der chemischen Industrie in der Gegenwart hat ihre Wurzeln bereits in den hohen Wachstumsraten und Gewinnen der ersten Jahrzehnte ihrer Existenz.

Aber schon in den frühen Jahren der Teerchemie dräute unter der Oberfläche der Euphorie und des enormen wirtschaftlichen Erfolges auch Unheilvolles. In den Teerfarbenfabriken häuften sich bestimmte Erkrankungen der Arbeiter (z.B. Blasenkrebs), und es kam zu ersten massiven Verseuchungen der Umwelt in der Umgebung der Fabriken, insbesondere durch hochgiftige gas- und staubförmige Emissionen sowie durch die Einleitung toxischer Nebenprodukte und Abwässer in Flüsse und Bäche. Zu diesen – damals zumeist als normal und hinnehmbar betrachteten – Emissionen kamen auch immer wieder größere Störfälle und Havarien mit zahlreichen Verletzten und sogar Todesopfern.

Mit der wachsenden wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Machtstellung der Chemieindustrie in den folgenden Jahrzehnten gingen stets gesundheitliche und ökologische Probleme einher. Geändert hat sich allerdings die Wahrnehmung und Bewertung dieser »Kollateralschäden«, die anfangs als unvermeidliche Begleiterscheinung von Wachstum und Prosperität betrachtet wurden.

In ihrem Buch Silent Spring (Stummer Frühling) hatte die amerikanische Biologin Rachel Carson bereits 1962 auf solche gravierenden Schadwirkungen von chemischen Produkten in der Umwelt hingewiesen. Sie war Ende der 1950er-Jahre Hinweisen einer Journalistin nachgegangen, die ihr von den verheerenden Auswirkungen der großflächigen Verteilung von Pestiziden mittels Sprühflugzeugen in einem Vogelschutzgebiet berichtet hatte.