Vorbemerkung
Vergrößert man gedanklich einen Kohlenstoff-Atomkern (12 Nukleonen;
≈ 3∙10-15 m Radius) auf einen Tischtennisball vergrößert (1.5 cm Radius; Vergrößerungsfaktor ≈ 5 Billionen), so befände sich der Rand vom äußeren Elektronen-Orbital (Abstand real ≈ 2∙10-10 m) 1 km vom Mittelpunkt weg; der nächste Kohlenstoff-Atomkern wäre also 2 km entfernt!
Und dazwischen – innerhalb dieser Kugel mit dem Radius 1 km und dem
Volumen 4.2 Mrd Kubikmeter – nur 2 Orbitalwolken mit 2+4 Elektronen.
Das Kohlenstoffatom ist das viertkleinste Atom – nach Wasserstoff, Bor
und Beryllium. Der Abstand im Kristallgitter beträgt nur etwa 200 Picometer.
Daher ist das Kohlenstoffatom spezifisch ziemlich schwer.
Vier Elektronen besetzen die Außenschale, die „Platz“ für acht Elektronen
bietet (Edelgas-Konfiguration).
Das C-Atom kann sich also mit bis zu vier Elektronen anderer Atome zur Achter-Edelgas-Konfiguration kombinieren. Mit vier Wasserstoff-Atomen ergibt sich z.B. der leichteste Kohhlenwasserstoff: Methangas (CH4), mit zwei Sauerstoff-Atomen das Kohlendioxidgas (CO2).– Zudem verbinden sich Kohlenstoffatome auch miteinander zu stabilen Kristallen (etwa Diamanten), Ketten (Kohlenwasser-stoffe), Ringen (Benzole), flächigen Gittern (Grafit), Röhren (Nanoröhrchen)
und Fullerenen (Hohlkugeln mit (fußballähnlichen Oberflächen aus 5- und 6-Ecken). Auch amorphe Formen wie Ruß sind möglich. Für die Industrie
wurden neue Kombi-Materialien wie Carbonstahl, -fasern und -matten mit
den jeweils gewünschten Materialeigenschaften erfunden.
In der belebten Natur entstanden durch die optimalen Verbindungsmöglichkeiten des sehr kleinen Kohlenstoffatoms seit zwei Jahrmilliarden (Evolution) über
12 Millonen hochmolekulare organische Stoffe, auf denen die Lebens-
phänomene aller Zellen und Lebewesen beruhen:
Glukosearten, Stärke, Fette, Alkohole, Alkane, Alkene, Polyene,
Cycloalkane, Ester, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren und vor allem
die für die Eiweißsynthese (Proteine) besonders wichtigen Aminosäuren.
Eine prekäre Schwachstelle aller Lebewesen ist die Empfindlichkeit auf Temperaturen über 100 Grad Celsius – obwohl in 120 Grad heißem
Meereswasser intakte Lebensformen gefunden wurden. Dagegen können
Sporen und Bakterien möglicherweise sehr lange Reisen bei Weltraum-
kälte überstehen.
Meisterstücke des Lebens: 4 bedeutsame Riesenmoleküle
Die DNA-Spirale: Desoxy-Ribo-Nukleinsäure bildet eine spiralige
Doppelwendel, welche die Gene mit den darin codierten
Erbinformationen enthält.
Chlorophyll: C55 H70 Mg N4 O6 bewirkt in den Landpflanzen
und Grünalgen die Kohlenstoff-Assimilation:
Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie (454 nm; 576 nm)
CO2 (Luft) H2O (Boden) Sonnenlicht (2 grüne Farbtöne)
⇒ Traubenzucker + Sauerstoff;
C6 H12 O6 + O2 ausgeatmet
Hämoglobin: C34 H32 Fe N4 O4 bewirkt im Blutkreislauf, an Muskeln und Organen die Dissimilation im tierischen /menschlichen Körper:
Traubenzucker + Sauerstoff
⇒ Kohlendioxid + Wasser + Wärmeenergie.
Es besteht eine strukturelle Ähnlichkeit zwischen Chlorophyll
und Hämoglobin in den C-H-N-O-Komponenten. Unterschied: Magnesium (Mg) fungiert im Chlorophyll als zentrales Atom, während Eisen (Fe) im Hämoglobin diese Rolle spielt.
Durch den zwischen Flora und Fauna ausgewogenen Kohlen-
stoff-Kreislauf mit Assimilation und Dissimilation wird eine gleichbleibende Konzentration von Kohlendioxid (≈ 0,04%)
und Sauerstoff (≈21%) eingehalten. Seit Beginn des Industrie-zeitalters ist dieses Gleichgewicht durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas aus fossilen Lagerstätten empfindlich gestört, woraus sich die Bedrohungen der Klimakatastrophe
(nicht des Klimawandels) zum Teil erklären.
Titin: C132983 H211861 N36149 O40883 S693 (über 420’000 Atome)
Titin gehört zu den größten elastischen Proteinen in der Herz-
und Skelettmuskulatur, besteht aus über 30’000 Aminosäuren
sowie 320 Proteindomänen und bewirkt die Elastizität, Stabilität, Kontraktionsgeschwindigkeit und Ruhespannung des Muskels.
Quellen:
Umfassende Infos zu den entsprechenden Fachbegriffen (Kohlenstoff, Kohlenstoff-Assimilation und -verbindungen usw.): Siehe Wikipedia;
zu Titin siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Titin
Konfigurationen des Kohlenstoffs
Zellen als Grundbausteine der lebenden Organismen
Bakterium mit Geißeln
(Vergrößerung 70’000-fach)
Zellwand mit 2 konzentrischen Schichten
Weiße und rote Blutkörperchen
(Vergrößerung 1’000’000-fach)
Synapse
(Vergrößerung 1’000’000-fach)
Quelle der 4 farbigen Abbildungen:
David S. Goodsell: Wie Zellen funktionieren. Spektrum Verlag, 2010.