Woher kommt das Holz?

Die Frage lässt sich mit einer Waage entscheiden, und genau das hat vor knapp 400 Jahren ein Arzt in Flandern getan. Jan Baptist van Helmont trocknete Erde im Ofen, bis kein Wasser mehr in ihr war, und füllte 90,7 kg davon in einen großen Topf. Hinein pflanzte er einen Weidenzweig von 2,27 kg. Er goss fünf Jahre lang nur mit Regenwasser und legte einen Deckel mit Löchern auf den Topf, damit kein Staub hineinfiel.

Wenn der Baum aus der Erde wächst, gilt eine einfache Buchführung: Was der Baum zunimmt, muss die Erde verlieren.

Schiebst du die Zeit auf fünf Jahre, siehst du, was van Helmont dann maß. Die Weide wog 76,74 kg, also 74,5 kg mehr als am Anfang. Das Laub, das in vier Herbsten abgefallen war, hatte er nicht einmal mitgezählt. Dann trocknete er die Erde wieder und wog sie: Es fehlten 57 g, etwa eine halbe Tafel Schokolade. Die Erde hält den Baum fest und liefert ein paar Mineralstoffe, aber sein Holz kommt nicht aus ihr.

Van Helmont zog daraus einen Schluss, der sauber klingt: Er hatte nur Wasser in den Topf gegeben, also sei der Baum aus Wasser gemacht. Holz ist aber kein nasser Schwamm. Um zu prüfen, ob er recht hatte, muss man dem Holz das Wasser wegnehmen und nachsehen, was übrig bleibt.

Frisch geschlagenes Holz ist schwer und nass. Brennholz lässt man deshalb zwei Jahre unter einem Dach liegen, bevor man es verfeuert: Es verliert dabei fast die Hälfte seines Gewichts, und zwar als Wasser. Bei einer frischen Weide ist es sogar etwa die Hälfte. Wenn van Helmont recht hätte, müsste vom Baum nach dem Trocknen kaum etwas übrig bleiben.

Schiebst du den Regler ganz nach rechts, verdunsten vom 76,7 kg schweren Baum rund 38 kg. Zurück bleiben 38 kg trockenes Holz, und das ist kein Rest von Wasser. Etwa die Hälfte davon ist Kohlenstoff, gut 19 kg. Dazu kommen Sauerstoff und ein wenig Wasserstoff.

Damit ist van Helmonts Schluss widerlegt. Wasserstoff und Sauerstoff hätte das Gießwasser liefern können, Kohlenstoff nicht: Kein einziges Wasserteilchen trägt ein Kohlenstoff-Atom. Vom Kohlenstoff der Weide steckte nur ein gutes halbes Kilogramm schon im Zweig; 18,6 kg sind in fünf Jahren in den Topf gelangt, ohne dass jemand sie hineingetan hat. Van Helmont hat genau eine Sache nicht gewogen: die Luft um den Baum.

Luft wirkt wie nichts, aber sie wiegt etwas: Ein Kubikmeter Luft, ein Würfel von einem Meter Kantenlänge, hat eine Masse von rund 1,2 kg. Fast alles darin ist Stickstoff und Sauerstoff. Einen winzigen Teil bildet ein Gas, das van Helmont selbst entdeckt hatte, als er Holzkohle verbrannte: Kohlenstoffdioxid, CO₂. Jedes seiner Teilchen trägt ein Kohlenstoff-Atom.

Das Blatt lässt Luft durch winzige Spaltöffnungen an seiner Unterseite ein, holt das CO₂ heraus und baut den Kohlenstoff in Zucker und später in Holz ein. Bei so wenig CO₂ in der Luft stellt sich eine Frage, die man ausrechnen kann: Wie viel Luft muss ein Baum durch seine Blätter ziehen, um 18,6 kg Kohlenstoff zu sammeln?

Für 18,6 kg Kohlenstoff braucht die Weide rund 68 kg CO₂, und so viel steckte damals in etwa 133 000 m³ Luft — rund 670 Klassenzimmer. Das klingt nach unmöglich viel, aber ein Baum hat Zeit und Wind: Fünf Sommer lang strich ständig frische Luft an Tausenden Blättern vorbei. Jedes einzelne Kohlenstoff-Atom im Holz der Weide schwebte vorher als Teil eines CO₂-Teilchens durch die Luft über Flandern.

Damit ist die Buchführung fast vollständig. Den Kohlenstoff liefert die Luft, den Wasserstoff das Wasser, ein paar Gramm Mineralstoffe die Erde. Aber aus einem Gas und einer Flüssigkeit wird nicht von selbst Holz. Eine Weide im dunklen Keller nimmt nicht zu, egal wie viel Luft und Wasser sie bekommt — sie wird sogar leichter.

Was fehlt dem Baum im dunklen Keller? Nicht Stoff — Luft und Wasser hat er genug. Es fehlt Licht. Licht kann man nicht wiegen; ein Sonnenstrahl macht nichts schwerer, auf das er fällt. Es ist kein Baustoff, sondern Energie. Mit ihr zerlegt das grüne Blatt Kohlenstoffdioxid und Wasser und setzt die Atome neu zusammen: zu Traubenzucker, dem Rohstoff für Holz, und zu Sauerstoff, den es abgibt.

Kohlenstoffdioxid + Wasser
↓ Licht
Traubenzucker + Sauerstoff

Diesen Umbau mit Lichtenergie nennt man Photosynthese. Den Zucker braucht der Baum aber nicht nur zum Bauen. Jede seiner Zellen lebt, und leben kostet Energie. Die holt sich die Zelle, indem sie Zucker mit Sauerstoff wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abbaut — die Zellatmung, genau wie in deinen Muskeln. Ein Blatt nimmt also CO₂ auf und gibt zugleich CO₂ ab. Was davon überwiegt, hängt am Licht.

Schiebst du den Regler ganz nach links, dreht sich der Pfeil am Blatt um: Die Pflanze gibt CO₂ ab, weil nur noch die Zellatmung läuft. Schon ab etwa 1 % des vollen Sonnenlichts holt die Photosynthese mehr Kohlenstoff herein, als die Atmung hinausschickt; bei viel Licht flacht die Kurve ab, weil das Blatt nicht schneller kann. Netto wächst ein Baum also nur an Tagen, nachts wird er ein klein wenig leichter.

Und wenn Holz verbrennt, läuft die ganze Geschichte rückwärts. Der Kohlenstoff verbindet sich mit Sauerstoff und steigt als CO₂ in die Luft, aus der er kam; der Wasserstoff wird wieder zu Wasserdampf. Zurück bleibt eine Handvoll Asche, die Mineralstoffe aus der Erde. Die Wärme des Feuers ist die Lichtenergie der Sommer, in denen der Baum gewachsen ist.

Van Helmonts Weide war also zum größten Teil aus Luft gebaut — mit Wasser und der Energie des Lichts, und mit 57 g aus der Erde. Einiges hat dieser Artikel bewusst ausgelassen: wie der Chloroplast die Atome im Einzelnen umbaut, warum ein Baum trotz der kleinen Menge auf Stickstoff und Phosphor aus dem Boden angewiesen ist, und die Überraschung, dass der abgegebene Sauerstoff aus dem Wasser stammt, nicht aus dem CO₂. Die Gleichungen von Photosynthese und Zellatmung warten im nächsten Thema; der Weg des Kohlenstoffs durch Atmosphäre, Wälder und Meere ist der Kohlenstoffkreislauf, und in Klasse 10 zerlegst du die Zellatmung in die Schritte, mit denen eine Zelle aus Zucker Energie gewinnt.