Biogeochemie

Gegenstand und Systembezug

Biogeochemie ist eine interdisziplinäre Systemwissenschaft. Sie untersucht die chemischen, biologischen und physikalischen Prozesse, die dem Aufbau und den Funktionen von Ökosystemen und Landschaften zugrunde liegen. Dabei betrachtet sie das Zusammenwirken belebter und unbelebter Bestandteile der Erde.

Der Themenbereich umfasst alle fünf geochemischen Sphären: Biosphäre, Pedosphäre, Hydrosphäre, Erdatmosphäre und Lithosphäre. Die Biosphäre umfasst die Lebewesen, die Pedosphäre die Böden, die Hydrosphäre das Wasser, die Erdatmosphäre die Lufthülle und die Lithosphäre den festen Gesteinsbereich der Erde. Biogeochemische Vorgänge können daher beispielsweise gleichzeitig Organismen, Böden, Gewässer, Atmosphäre und Gesteine betreffen.

Stoffhaushalt, Kreisläufe und Umweltprobleme

Der eigentliche Forschungsbereich ist trotz dieser weitgefassten Definition vor allem auf den Stoffhaushalt konzentriert. Damit sind drei miteinander verbundene Bereiche gemeint: Stoffflüsse in ein System hinein, Stoffflüsse aus einem System heraus und Stoffumsätze innerhalb des Systems. Die Flüsse werden meistens an den Systemgrenzen bilanziert. Eine solche Bilanzierung macht es möglich, die Zu- und Abgänge sowie die Veränderungen von Stoffen in einem Ökosystem oder einer Landschaft zu erfassen.

Eine wichtige Rolle spielen Stoffkreisläufe. Der Artikel nennt insbesondere den Kohlenstoffkreislauf, den Stickstoffkreislauf, den Schwefelkreislauf und den Phosphorkreislauf. Die Biogeochemie untersucht, wie Stoffe zwischen den verschiedenen Sphären bewegt, umgewandelt und in Systemen gespeichert oder freigesetzt werden. Energie- und Informationsflüsse sowie Energie- und Informationsumsätze gehören dagegen nicht zum Forschungsbereich der Biogeochemie.

Biogeochemische Ansätze werden bei mehreren bedeutenden Umweltproblemen eingesetzt. Dazu zählen die Versauerung von Böden und Gewässern, die terrestrische und aquatische Eutrophierung, also die Überdüngung von Land- und Wasserökosystemen, sowie der Zustand der Wälder, Waldschäden und Waldsterben. Ebenfalls untersucht werden Stoffeinträge aus der Atmosphäre in den Boden und die daran anschließenden Prozesse im Boden. Weitere Themen sind der Klimawandel mit seinen Ursachen und Folgen, besonders im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffzyklus, sowie die chemische Veränderung der Atmosphäre und deren Folgen für die Vegetation.

Entstehung und jüngere Entwicklung

Als Begründer der Wissenschaft Geochemie gilt Wladimir Wernadski, ein ukrainischer und russischer Wissenschaftler mit Spezialisierung auf Geologie und Mineralogie. Anfang des 20. Jahrhunderts untersuchte er die chemische Zusammensetzung organischer Substanzen sowie den Ablauf und die Auswirkungen geochemischer Prozesse, an denen Organismen beteiligt sind. George Evelyn Hutchinson, ein US-amerikanischer Geochemiker und Limnologe, wird die Abgrenzung des wissenschaftlichen Bereichs und der Prinzipien der jungen Disziplin zugeschrieben.

Ende der 1960er Jahre entwickelten James Lovelock und Lynn Margulis die Gaia-Hypothese. Nach dieser Hypothese verhält sich die Biosphäre zusammen mit den unbelebten Komponenten der Erdoberfläche wie ein eigenständiger, selbstregulierender Organismus. Die Biosphäre reguliert demnach die Zusammensetzung der Atmosphäre maßgeblich und stabilisiert dadurch das Klima. Manche Thesen der Gaia-Theorie werden von der wissenschaftlichen Mehrheit nicht geteilt. Dennoch lenkte die Theorie erstmals größere Aufmerksamkeit auf die Biogeochemie und förderte insbesondere die Entwicklung der Erdsystemforschung.

Wegen verschiedener Umweltprobleme geriet die biogeochemische Forschung in den 1980er Jahren stärker in das Bewusstsein der Öffentlichkeit. Durch detaillierte Untersuchungen des Stoffhaushalts von Ökosystemen erhoffte man sich grundlegende Erkenntnisse über deren Funktion und Steuerung und damit ein besseres Verständnis der Ursachen von Umweltproblemen. In den 1990er und 2000er Jahren entstanden zahlreiche numerische Modelle zur Simulation biogeochemischer Prozesse. Sie sollten helfen, die Rückkopplungen verschiedener Ökosysteme besser zu verstehen, beispielsweise zwischen Sediment und Ozean als einem gemeinsamen biogeochemischen System.

In jüngerer Zeit entwickelte sich aus der Biogeochemie außerdem die Idee des Geo-Engineering. Der Begriff bezeichnet Überlegungen, technisch in geochemische Kreisläufe einzugreifen, etwa um die Globale Erwärmung oder die Versauerung der Meere zu bremsen.