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20. Calcium (Ca) - Das Fundament der Knochen · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das
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Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
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lernen. Kennst du schon unsere anderen
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Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
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Schlafreise durch vergessene Welten.
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Heute nehme ich dich mit auf eine faszinierende Reise zu
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einem Element, ohne dass dein Körper buchstäblich in sich
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zusammenfallen würde. Calcium.
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Das Element mit der Ordnungszahl 20 es verleiht deinen Knochen
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Stabilität, lässt dein Herz schlagen und formt die
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majestätischen Kalksteinfelsen unserer Erde.
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Lass dich treiben in die Welt dieses außergewöhnlichen
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Elements, das seit Milliarden Jahren die Geschichte unseres
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Planeten Mitschreibt. Stell dir vor, du könntest in
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deinen eigenen Körper hineinsehen.
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Tief hinein in die mikroskopische Struktur deiner
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Knochen. Dort in einem komplexen
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dreidimensionalen Netzwerk, findest du Calcium in seiner
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wichtigsten biologischen Form als Calciumphosphat, genauer
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gesagt als Hydroxylapatit mit der chemischen Formel ca 10
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Klammer auf Po 4. Klammer zu 6 Klammer auf Oh
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Klammer zu 2. Diese kristalline Struktur macht
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etwa 95% der anorganischen Knochenmasse aus und verleiht
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dem Skelett seine bemerkenswerte Festigkeit.
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Ein durchschnittlicher erwachsener Mensch trägt etwa
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ein Kilogramm reines Kalzium in sich, wovon 99% in Knochen und
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Zähnen gebunden sind. Das verbleibende eine Prozent
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mag verschwindend gering erscheinen, ist aber von
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entscheidender Bedeutung für lebensnotwendige Prozesse wie
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die Muskelkontraktion, die Blutgerinnung und die
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Signalübertragung zwischen Nervenzellen.
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Dein Körper reguliert den Calciumspiegel im Blut mit einer
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Präzision von etwa 2,2 bis 2,6 Millimol pro Liter.
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Abweichungen von nur wenigen Prozent können schwerwiegende
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gesundheitliche Folgen haben. Calcium steht im Periodensystem
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in der zweiten Hauptgruppe, den Erdalkalimetallen, mit der
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Elektronenkonfiguration ar 4 s 2 gibt es bereitwillig seine
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beiden äußeren Elektronen ab und bildet das zweifach positiv
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geladene Calcium Ion ca 2 plus. Diese Eigenschaft macht Calcium
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zu einem hervorragenden Reaktionspartner für
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verschiedenste chemische Verbindungen und erklärt, warum
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es in der Natur niemals elementar vorkommt, sondern
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stets gebunden. Die Entdeckungsgeschichte des
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Calciums führt uns nach England ins Jahr 1808.
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Der brillante Chemiker Sir Humphrey Davy isolierte das
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Element erstmals durch Elektrolyse von Calciumoxid und
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Quecksilberoxid. Davy war ein Pionier der
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Elektrochemie und entdeckte in dieser produktiven Phase seines
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Lebens auch Natrium, Kalium, Barium, Strontium und Magnesium,
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alle durch elektrochemische Methoden.
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Der Name Calcium leitet sich vom lateinischen Calx ab, was
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Kalkstein bedeutet. Ein Material, das die Menschheit
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seit der Antike kennt und nutzt. Lass uns eine Reise durch die
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Erdgeschichte unternehmen, vor etwa 400000000 Jahren im Devon
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begannen die ersten Wirbeltiere, das Land zu erobern.
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Diese frühen Amphibien benötigten stabile Skelette, um
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der Schwerkraft außerhalb des stützenden Wassers zu
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widerstehen. Calcium wurde zum
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Schlüsselelement dieser evolutionären Innovation, die
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calciumphosphat Kristalle in ihren Knochen waren leicht
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genug, um Beweglichkeit zu ermöglichen, aber stark genug,
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um das Körpergewicht zu tragen, eine perfekte Balance.
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Die sich über Jahrmillionen durch natürliche Selektion
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optimierte, in den Ozeanen unserer Erde spielt Calcium eine
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ebenso fundamentale Rolle. Unzählige Meeresorganismen, von
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mikroskopischen Kokolitophoriden über Korallen bis zu Muscheln
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bauen ihre schützenden Gehäuse und Skelette aus Calciumcarbonat
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CAO 3. Diese biogene Kalkbildung ist
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ein globaler Prozess von enormem Ausmaß.
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Schätzungsweise werden jährlich etwa 1,6 Milliarden Tonnen
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Calciumcarbonat von Meeresorganismen produziert.
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Wenn diese Organismen sterben, sinken ihre kalkhaltigen
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Überreste auf den Meeresboden und bilden über geologische
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Zeiträume mächtige Sedimentschichten.
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Die Kreidefelsen von Dover, strahlend weiß und über 100
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Meter hoch, bestehen nahezu vollständig aus den
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mikroskopischen Kalkschalen winziger Meeresalgen, die vor
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etwa 70 bis 100000000 Jahren lebten.
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Jeder Kubikzentimeter dieser Kreide kann Millionen dieser
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fossilen Schalen enthalten. Ein beeindruckendes Zeugnis der
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akkumulativen Kraft biologischer Prozesse über geologische
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Zeitskalen. Calcium ist in der Erdkruste mit
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einem Anteil von etwa 3,4% das fünfthäufigste Element.
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Es kommt in zahlreichen Mineralien vor, darunter Calcit
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und Aragonit, beide Formen von Calciumcarbonat, aber mit
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unterschiedlicher Kristallstruktur.
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Calcit kristallisiert im trigonalen System und ist die
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Thermodynamisch stabilere Form, während Aragonit im
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orthohombischen System kristallisiert und oft von
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Meeresorganismen bevorzugt wird. Gips.
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Calciumsulfat Dihydrat c so bindet 4 x 2 h 2 o, bildet
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ausgedehnte Lagerstätten und wird seit Jahrtausenden als
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Baumaterial genutzt. Fluorid Calciumfluorid CF 2
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beeindruckt durch seine intensive Fluoreszenz unter u
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Pflicht, ein Phänomen, das dem Mineral seinen Namen gab.
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In Höhlen weltweit erschafft Calcium über Jahrtausende hinweg
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kunstvolle Strukturen. Tropfsteine entstehen, wenn
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Calciumcarbonat haltiges Wasser von der Decke tropft.
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Dabei entweicht Kohlendioxid und das gelöste Calcium fällt als
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fester Kalkstein aus. Stalaktiten wachsen von der
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Decke nach unten, stalagmiten vom Boden nach oben.
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Mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 0,1
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Millimeter pro Jahr, die Mamas Cave in Kentucky erstreckt sich
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über 600 Kilometer und ist das längste bekannte Höhlensystem
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der Welt. Ein monumentales Archiv aus
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Calciumcarbonat, das über Millionen Jahre gewachsen ist.
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Dein Skelett ist keineswegs eine starre, unveränderliche
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Struktur. Es befindet sich in einem
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ständigen Prozess des auf und Abbaus, der als Knochenumbau
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oder Remodeling bezeichnet wird. Spezialisierte Zellen die
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Osteoklasten bauen kontinuierlich alte
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Knochensubstanz ab, während Osteoblasten neues
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Knochenmaterial synthetisieren. Dieser Prozess.
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Erneuert etwa 10% deines Skeletts pro Jahr, sodass dein
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gesamtes Skelett etwa alle 10 Jahre vollständig ausgetauscht
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wird. Diese dynamische
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Anpassungsfähigkeit ermöglicht es deinen Knochen, sich an
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mechanische Belastungen anzupassen, ein Prinzip, das als
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Wolff sches Gesetz bekannt ist. Die Regulaierung des
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Kalziumhaushalts in deinem Körper ist ein komplexes,
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endokrinologisches Meisterwerk. Das Parathormon, produziert von
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den Nebenschilddrüsen, erhöht bei niedrigen Calciumspiegeln
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die Freisetzung von Calcium aus den Knochen und fördert die
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Rückresorption in den Nieren. Calcitonin, ein Hormon der
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Schilddrüse, wirkt Antagonistisch und senkt erhöhte
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Calciumspiegel Vitamin D streng genommen ein Hormon und kein
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Vitamin. Spielt eine zentrale Rolle,
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indem es die Intestinale Calciumabsorption um das 2 bis
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dreifache steigert. Ein Vitamin D Mangel kann zu
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Rachitis bei Kindern oder Osteomalazie bei Erwachsenen
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führen, Erkrankungen, bei denen die Knochen aufgrund
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unzureichender Mineralisation weich werden elementares Calcium
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ist ein relativ weiches, silberglänzendes Metall mit
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einer Dichte von 1,55 Gramm pro Kubikzentimeter.
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Es würde tatsächlich auf Wasser schwimmen, wenn es nicht sofort
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heftig mit diesem reagieren würde.
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Bei Kontakt mit Wasser bildet Calcium Calciumhydroxid und
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Wasserstoffgas eine exotherme Reaktion, die bei größeren
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Mengen durchaus gefährlich werden kann.
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An der Luft überzieht sich Calcium schnell mit einer
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Schicht aus Calciumoxid und Calciumcarbonat, weshalb es
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unter Petroleum oder in Schutzgasatmosphäre aufbewahrt
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werden muss. Der Schmelzpunkt von Calcium
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liegt bei 842 Grad Celsius, der Siedepunkt bei 1484 Grad
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Celsius. In der Industrie wird Calcium
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hauptsächlich durch Schmelzflusselektrolyse von
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Calciumchlorid gewonnen, ein energieintensiver Prozess, der
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bei Temperaturen um 800 Grad Celsius durchgeführt wird.
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Jährlich werden weltweit etwa 200000 Tonnen metallisches
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Kalzium produziert, hauptsächlich für die Verwendung
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als Reduktionsmittel in der Metallurgie, etwa bei der
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Herstellung von Chrom, Thorium und Uran.
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In der Lebensmittelindustrie begegnet uns Kalzium in
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vielfältiger Form, Calciumcarbonat dient als
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Säureregulator und wird Fruchtsäften zugesetzt.
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Calciumchlorid findet Verwendung als Festigungsmittel in
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eingelegtem Gemüse und verhindert das Weichwerden
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Freibitten der Zellwände. In der Käseherstellung ist
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Calciumchlorid ein unverzichtbarer Zusatz, der die
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Gerinnung der Milch unterstützt. Der tägliche Calciumbedarf eines
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Erwachsenen liegt bei etwa 1000 Milligramm, bei Jugendlichen und
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älteren Menschen sogar höher. Milchprodukte sind die
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bekanntesten Kalziumquellen, aber auch grünes Blattgemüse wie
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Grünkohl und Brokkoli, Mandeln, Sesam und kalziumreiches
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Mineralwasser tragen zur Versorgung bei.
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Die Bioakkumulation von Kalzium in Pflanzen folgt interessanten
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Mustern, Pflanzen nehmen Kalzium über die Wurzeln aus dem Boden
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auf, transportieren es aber hauptsächlich im Xylem, dem
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Wasserleitungssystem, die. Da der Transport im Fluem, dem
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System für organische Nährstoffe, sehr begrenzt ist,
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akkumuliert Kalzium besonders in älteren Blättern und ist relativ
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immobil. Dies erklärt, warum
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Kalziummangel bei Pflanzen typischerweise zuerst an jungen
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Blättern und Wachstumsspitzen sichtbar wird, etwa durch die
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gefürchtete Blütenentfäule bei Tomaten, bei der die
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Fruchtspitzen schwarz werden und absterben.
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Im kosmischen Maßstab entsteht Calcium durch Kernfusion in
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massereichen Sternen während des Kohlenstoffbrennens, das bei
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Temperaturen von etwa 600000000 Kelvin stattfindet, fusionieren
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Kohlenstoffkerne zu schwereren Elementen, darunter auch
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Calcium, wenn ein massereicher Stern sein Leben als Supernova
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beendet, werden diese Elemente ins All geschleudert und
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reichern spätere Sterngenerationen an.
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Das Calcium in deinen Knochen wurde einst im Inneren eines
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Sterns geschmiedet, der vor Milliarden Jahren explodierte.
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Du trägst buchstäblich Sternenstaub in dir, die
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Spektrallinien von Calcium sind in der Astronomie von besonderer
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Bedeutung, die sogenannten He. Und k Linien des Ionisierten
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Calciums bei Wellenlängen von 396,8 und 3193,4 Nanometern
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gehören zu den stärksten Absorptionslinien im Spektrum
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von sonnenähnlichen Sternen. Durch die Analyse dieser Linien
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können Astronomen die Oberflächentemperatur, die
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chemische Zusammensetzung und die Rotationsgeschwindigkeit von
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Sternen bestimmen. Auch in den Spektren weit
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entfernter Galaxien ist Calcium nachweisbar und hilft
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Kosmologen, die chemische Evolution des Universums zu
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verstehen. In der Medizin spielt Calcium
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eine vielseitige Rolle, bei Herzrhythmusstörungen kann die
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intravenöse Gabe von Calciumchlorid lebensrettend
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sein, da Calcium die Kontraktilität des Herzmuskels
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steigert. Als Gegenmittel bei Vergiftungen
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mit Fluoriden oder Oxalaten bindet Calcium diese Substanzen
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und macht sie unschädlich. Calciumglyconat wird zur
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Behandlung von Hypokalzimie eingesetzt, einem potenziell
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lebensbedrohlichen Zustand mit Symptomen wie Muskelkrämpfen,
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Kribbeln und in schweren Fällen Krampfanfällen, die Osteoporose.
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Eine Erkrankung, bei der die Knochendichte abnimmt und das
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Frakturrisiko steigt, betrifft weltweit etwa 200000000
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Menschen, überwiegend postmenopausale Frauen.
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Der Östrogenmangel nach den Wechseljahren beschleunigt den
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Knochenabbau erheblich, eine ausreichende Calciumzufuhr in
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Kombination mit Vitamin D, regelmäßiger Belastung der
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Knochen durch Sport. Und gegebenenfalls
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medikamentöser Therapie kann das Fortschreiten der Erkrankung
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verlangsamen. Die Knochendichte Messung
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mittels DDXA Scan misst den Calciumgehalt der Knochen und
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ermöglicht eine frühe Diagnose calciumoxid gebrannter Kalk wird
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seit der Antike in enormen Mengen produziert bereits die
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Römer nutzten es als Bindemittel für Mörtel und Beton.
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Die weltweite Produktion von Kalk beträgt heute etwa
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350000000 Tonnen pro Jahr. Beim Brennen von Kalkstein bei
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Temperaturen über 900 Grad Celsius wird Kohlendioxid
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freigesetzt. CACO 3 Pfeil CAO plus CO 2
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dieser Prozess ist einer der größten industriellen
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Verursacher von CO 2 Emissionen. Und trägt mit etwa 8% zu den
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globalen anthropogenen Kohlendioxid Emissionen bei.
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Interessanterweise kann Calciumoxid aber auch zur CO 2
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Abscheidung genutzt werden, in einem Kreislaufprozess kann
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gebrannter Kalk Kohlendioxid aus Abgasen absorbieren und wieder
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zu Calciumcarbonat werden. Durch erneutes Erhitzen wird das
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CO 2 in konzentrierter Form freigesetzt und kann gespeichert
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oder weiterverwendet werden. Diese Calcium Looping
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Technologie wird als vielversprechende Methode zur
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Reduzierung industrieller Emissionen erforscht.
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Die Versauerung der Ozeane, verursacht durch die Aufnahme
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von atmosphärischem Kohlendioxid, stellt eine
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ernsthafte Bedrohung für Kalkbildende Meeresorganismen
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dar. Wenn Co 2 in Meerwasser gelöst
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wird, bildet sich Kohlensäure, die den PH Wert senkt.
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Seit Beginn der Industrialisierung ist der PH
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Wert der Meeresoberfläche um etwa 0,1 Einheiten gesunken, was
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einer Zunahme der Wasserstoffionenkonzentration um
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etwa 30% entspricht. Dies beeinträchtigt die
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Fähigkeit von Korallen, Muscheln und Plankton, ihre
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Calciumcarbonat Strukturen aufzubauen, bei PH Werten unter
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etwa 7,8 beginnt aragonit sich sogar aufzulösen.
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Eine katastrophale Perspektive für Korallenriffe, die
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Lebensraum für etwa 25% aller marinen Arten bieten.
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Calciumcarbonat spielt auch eine wichtige Rolle im globalen
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Kohlenstoffkreislauf über geologische Zeiträume, bindet
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die Verwitterung von Silikatgesteinen unter Bildung
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von Calciumcarbonat atmosphärisches CO 2 und wirkt
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damit als langfristiger Klimaregulator.
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Dieser Prozess läuft nach der vereinfachten Gleichung CAS io 3
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plus CO 2 ergibt ca co 3 plus sio 2.
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Die gebildeten Carbonate werden ins Meer transportiert,
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Sedimentieren und werden durch Plattentektonik in die Erdkruste
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versenkt, wo sie bei hohen Temperaturen und drücken wieder
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zu Silikat und Co 2 metamorphisiert werden.
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Dieser Kreislauf dauert typischerweise mehrere 100000000
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Jahre und hat die Erdatmosphäre über geologische Zeiträume
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hinweg stabilisiert. In der Pflanzenwelt erfüllt
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Calcium wichtige strukturelle Funktionen, es ist ein
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wesentlicher Bestandteil der Mittellamelle, die pflanzliche
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Zellen miteinander verbindet. Calciumpektat verleiht dieser
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Struktur Festigkeit und hält die Zellwände zusammen.
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Bei Kalziummangel werden Zellwände instabil, was zu
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verformten Früchten und gestörtem Wachstum führt.
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Kalzium fungiert auch als sekundärer Botenstoff bei der
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Signaltransduktion in Pflanzen und vermittelt Reaktionen auf
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Umweltstress, Pathogenangriffe und Wachstumshormone.
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Die Kalzium Signalisierung ist einer der universellsten
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zellulären Kommunikationsmechanismen.
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In ruhenden Zellen liegt die Calciumkonzentration im
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Zytoplasma bei etwa 100 Nanomol pro Liter etwa Zehntausendfach
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niedriger als außerhalb der Zelle.
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Bei Stimulation öffnen sich Calciumkanäle und der plötzliche
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Einstrom von Calciumionen dient als Signal für vielfältige
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zelluläre Antworten. Von der Freisetzung von
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Neurotransmittern über die Kontraktion von Muskelzellen bis
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zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, die die
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Genexpression steuern. Die Vielfalt und Wichtigkeit von
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Calcium in biologischen und geologischen Systemen macht
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deutlich, wie fundamental dieses Element für das Leben auf
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unserem Planeten ist. Von den mikroskopischen
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Kalziumkanälen in deinen Nervenzellen über die
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majestätischen Korallenriffe der Tropen bis zu den gewaltigen
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Kalksteinformationen, die ganze Gebirgszüge bilden.
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Überall spielt Kalzium eine zentrale Rolle.
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Doch diese fein austarierten Systeme sind empfindlicher, als
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wir lange dachten. Die Versauerung der Ozeane
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bedroht Marine Ökosysteme. Der Klimawandel beeinflusst
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Verwitterungsprozesse und damit den Kalziumkreislauf und die
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intensive landwirtschaftliche Nutzung führt zur Versauerung
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und Kalziumverarmung von Böden. Diese Veränderungen geschehen
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nicht isoliert, sondern greifen in Komplexe, über Jahrmillionen
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gewachsene biogeochemische Kreisläufe ein.
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Die Geschichte des Calciums lehrt uns, dass unser Planet ein
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fein abgestimmtes System ist, in dem Elemente in großen
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Kreisläufen zirkulieren und Leben ermöglichen.
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Dieses System zu verstehen und zu schützen ist nicht nur eine
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wissenschaftliche Herausforderung, sondern auch
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eine ethische Verpflichtung gegenüber den Generationen, die
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nach uns kommen. Jeder Knochen in deinem Körper,
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jede Muschelschale am Strand, jeder Kalkfelsen erzählt die
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Geschichte eines Elements, das über Milliarden Jahre die
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Entwicklung unseres Planeten geprägt hat und das wir bewahren
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müssen, indem wir die Erde selbst bewahren.
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Dieses einzigartige blaue Wunder im Universum.