Jedes Stück Brot, jedes Blatt und jeder Baumstamm beginnt mit einem unscheinbaren Vorgang: Pflanzen holen Kohlendioxid aus der Luft und bauen daraus mithilfe von Sonnenlicht Zucker. Wie genau das geschieht, Schritt für Schritt, war bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts weitgehend unbekannt. Melvin Calvin hat diesen Weg aufgeklärt. Mit seinem Team in Berkeley verfolgte er den Kohlenstoff auf seiner Reise durch die Pflanzenzelle und entdeckte den Kreislauf, der heute seinen Namen trägt: den Calvin-Zyklus. Dafür erhielt er 1961 den Nobelpreis für Chemie, allein und ungeteilt.
Kindheit und Ausbildung
Melvin Calvin wurde am 8. April 1911 in St. Paul im US-Bundesstaat Minnesota geboren. Seine Eltern waren jüdische Einwanderer aus dem Russischen Reich; der Vater stammte aus Litauen, die Mutter aus Georgien. Die Familie zog nach Detroit, wo Calvin aufwuchs und die Schule besuchte. Früh faszinierte ihn, woraus die Dinge um ihn herum bestehen, und er entschied sich für die Chemie.
Er studierte am Michigan College of Mining and Technology, wo er 1931 seinen Bachelor erwarb, und promovierte 1935 an der University of Minnesota in Chemie. Danach ging er mit einem Stipendium nach Manchester in England und arbeitete dort bei Michael Polanyi. In diesen zwei Jahren beschäftigte er sich mit Katalyse und mit Farbstoffen wie den Porphyrinen, zu denen auch das Chlorophyll und der Blutfarbstoff gehören. Diese Erfahrung weckte sein Interesse an Molekülen, die Licht einfangen.
Berkeley und ein neues Werkzeug
1937 holte ihn Gilbert N. Lewis, einer der einflussreichsten Chemiker seiner Zeit, an die University of California in Berkeley. Calvin blieb Berkeley sein ganzes Berufsleben treu. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete er unter anderem an Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff und war am Manhattan-Projekt beteiligt, wo es um die chemische Abtrennung von Plutonium ging.
Nach dem Krieg stand in Berkeley ein Werkzeug zur Verfügung, das für die Biologie revolutionär war: Kohlenstoff-14. Dieses radioaktive Isotop des Kohlenstoffs war 1940 von Martin Kamen und Samuel Ruben am Strahlungslabor von Ernest Lawrence entdeckt worden. Das Besondere daran: Chemisch verhält es sich wie gewöhnlicher Kohlenstoff, aber es sendet Strahlung aus und lässt sich daher aufspüren. Wenn Sie einer Pflanze Kohlendioxid mit Kohlenstoff-14 geben, können Sie verfolgen, in welche Moleküle dieser Kohlenstoff eingebaut wird. Ernest Lawrence ermutigte Calvin 1945, genau das zu tun.
Algen im Lollipop
Calvin arbeitete nicht mit großen Pflanzen, sondern mit einzelligen Grünalgen der Gattung Chlorella, die sich gleichmäßig züchten lassen und schnell Photosynthese betreiben. Sein Team, zu dem vor allem Andrew Benson und James Bassham gehörten, entwickelte eine Versuchsanordnung, die wegen ihrer flachen, runden Glasform als Lollipop bekannt wurde. Die Algen schwammen in einer dünnen Schicht in diesem Gefäß und wurden kräftig beleuchtet.
Dann gab man für eine genau bemessene Zeit radioaktives Kohlendioxid hinzu, oft nur wenige Sekunden, und ließ die Algen anschließend schlagartig in kochenden Alkohol fallen. Dadurch stoppten alle chemischen Vorgänge sofort. Was in diesem Moment in den Zellen vorhanden war, wurde gewissermaßen eingefroren.
Um herauszufinden, welche Stoffe den markierten Kohlenstoff enthielten, nutzte das Team die Papierchromatographie. Dabei wird ein Tropfen des Zellextrakts auf ein Papier gegeben, und Lösungsmittel ziehen die verschiedenen Stoffe unterschiedlich weit mit. Wiederholt man das in einer zweiten Richtung, entsteht ein Muster aus Flecken. Legt man anschließend einen Röntgenfilm auf das Papier, schwärzen nur die radioaktiven Flecken den Film. So sah man auf einen Blick, welche Moleküle den neuen Kohlenstoff aufgenommen hatten.
Der Kreislauf wird sichtbar
Der Trick lag im Vergleich verschiedener Zeitspannen. Nach nur fünf Sekunden fand sich der markierte Kohlenstoff fast ausschließlich in einem einzigen Stoff, der 3-Phosphoglycerinsäure, einem Molekül mit drei Kohlenstoffatomen. Nach längeren Zeiten tauchte er in immer mehr Verbindungen auf, schließlich auch in Zuckern und Aminosäuren. Die Reihenfolge, in der die Stoffe markiert wurden, verriet die Reihenfolge der Reaktionsschritte.
Schwieriger war die Frage, woran das Kohlendioxid überhaupt angehängt wird. Hier halfen weitere Experimente, in denen man das Licht oder das Kohlendioxid plötzlich abschaltete und beobachtete, welche Stoffe sich anhäuften oder verschwanden. Daraus ergab sich, dass ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, das Ribulose-1,5-bisphosphat, das Kohlendioxid aufnimmt. Das entstehende Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen zerfällt sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure.
Diese werden dann mit Energie aus den Lichtreaktionen in Zuckerbausteine umgewandelt. Ein Teil davon verlässt den Kreislauf als Baumaterial für Stärke, Saccharose und Zellulose. Der größere Teil wird in einer Reihe von Umbauschritten wieder zu Ribulose-bisphosphat zusammengesetzt, damit erneut Kohlendioxid gebunden werden kann. Es handelt sich also um einen Kreislauf, ähnlich einem Fließband, das ständig zu seinem Anfang zurückkehrt. Die wesentlichen Schritte waren bis etwa 1954 aufgeklärt. Das Enzym, das die Bindung des Kohlendioxids beschleunigt, ist die Rubisco, nach heutigem Wissen wohl das häufigste Protein der Erde.
Licht und Dunkel getrennt
Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten war die klare Trennung zweier Teile der Photosynthese. In den sogenannten Lichtreaktionen fängt das Chlorophyll Sonnenenergie ein und speichert sie in energiereichen Molekülen. Im Calvin-Zyklus wird diese gespeicherte Energie genutzt, um Kohlendioxid in Zucker einzubauen. Dieser zweite Teil braucht selbst kein Licht und wurde deshalb früher als Dunkelreaktion bezeichnet, auch wenn er in der Natur tagsüber abläuft. Für Laien hilft ein Bild: Die Lichtreaktionen laden den Akku, der Calvin-Zyklus verbraucht ihn, um aus Luft Zucker zu bauen.
Der Nobelpreis und die Frage der Anerkennung
Die Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh Calvin den Nobelpreis für Chemie 1961 „für seine Forschungen zur Kohlendioxid-Assimilation in Pflanzen“. Der Preis ging an ihn allein. In späteren Jahren wurde darüber diskutiert, ob die Beiträge seiner Mitarbeiter, insbesondere Andrew Bensons, angemessen gewürdigt wurden. In der Fachliteratur spricht man deshalb häufig vom Calvin-Benson-Zyklus oder vom Calvin-Benson-Bassham-Zyklus. Calvin selbst betonte in seinem Nobelvortrag die Teamarbeit, Benson äußerte sich später kritisch darüber, wie die Zusammenarbeit geendet hatte.
Weitere Forschung
Calvin war ein ungewöhnlich breit interessierter Forscher. Er leitete ab 1946 die bioorganische Gruppe am Lawrence Radiation Laboratory und später das Laboratorium für chemische Biodynamik in Berkeley, für das ein runder Laborbau entstand, der die Zusammenarbeit fördern sollte. Er beschäftigte sich mit der Frage, wie das Leben auf der Erde chemisch entstanden sein könnte, und schrieb darüber das Buch „Chemical Evolution“. Er untersuchte Mondgestein der Apollo-Missionen auf organische Spuren und forschte zur Entstehung von Krebs.
In seinen späteren Jahren widmete er sich zunehmend Energiefragen. Unter dem Eindruck der Ölkrisen der 1970er-Jahre untersuchte er Pflanzen, deren Milchsaft Kohlenwasserstoffe enthält, als mögliche nachwachsende Quelle für Treibstoffe, darunter Arten der Gattung Euphorbia. Außerdem arbeitete er an künstlichen Systemen, die das Prinzip der Photosynthese nachahmen sollten, Gedanken, die heute in der Forschung zum künstlichen Blatt wieder aufgegriffen werden.
Persönliches und letzte Jahre
Calvin war mit Marie Genevieve Jemtegaard verheiratet, die selbst in der Forschung tätig war; das Paar hatte drei Kinder. Er erhielt neben dem Nobelpreis zahlreiche Ehrungen, darunter 1989 die National Medal of Science der Vereinigten Staaten, und war Mitglied der National Academy of Sciences. Er starb am 8. Januar 1997 in Berkeley im Alter von 85 Jahren.
Was von Calvin bleibt
Der Calvin-Zyklus steht heute in jedem Biologie- und Biochemiebuch. Er erklärt, wie praktisch der gesamte organische Kohlenstoff in die Nahrungsketten gelangt, und ist damit eine Grundlage für das Verständnis von Landwirtschaft, Ökologie und Klima. Wer darüber nachdenkt, wie Pflanzen mehr Kohlendioxid binden oder höhere Erträge liefern könnten, setzt oft genau beim Calvin-Zyklus und bei der Rubisco an.
Ebenso nachhaltig war die Methode. Calvin zeigte beispielhaft, wie man mit radioaktiv markierten Atomen, schnellem Abstoppen und chromatographischer Trennung die Abfolge chemischer Schritte in lebenden Zellen entschlüsseln kann. Dieses Vorgehen wurde zum Vorbild für die Erforschung vieler anderer Stoffwechselwege.
Stand: 29.10.2026