Das 1997 gegründete Max-Planck-Institut für Biogeochemie widmet sich der Erforschung globaler Stoffkreisläufe und der daran beteiligten biologischen, chemischen und physikalischen Umsetzungen. Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff: Diese vier für das Leben bedeutsamen Elemente werden - in jeweils unterschiedlichen chemischen Verbindungen vorliegend - zusammen mit einer Reihe organischer Salze durch die Biosphäre freigesetzt und über die Atmosphäre und Hydrosphäre transportiert und verteilt. Sie finden ihren Weg zurück in die Biosphäre, um erneut von verschiedensten Organismen umgesetzt zu werden. Gekoppelt daran sind Prozesse, die zum einen durch die Biologie der Organismen, zum anderen durch chemisch-physikalische Abläufe in der Geosphäre und Atmosphäre gesteuert werden. Darüber hinaus modifizieren planetarische Vorgänge sowie in zunehmendem Maße vor allem anthropogene Eingriffe die natürlichen Kreisläufe.

Die Erforschung der zahlreichen biogeochemischen Umsetzungen, die an diesem globalen Stoffkreislauf mitwirken, ist eine der größten und drängendsten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit, denn der Mensch greift mit technischen Maßnahmen von globalem Ausmaß weltweit und mit großer Geschwindigkeit in diese natürlichen Kreisläufe ein, ohne daß die Folgen dieses Handelns bislang abschätzbar wären. Die Eingriffe des Menschen betreffen dabei nicht nur die klimawirksamen Spurengase in der Atmosphäre sondern auch die Landnutzung und die Diversität der Organismen.

Bei der Erforschung der globalen biogeochemischen Kreisläufe geht es darum, ein ungemein komplexes Gesamtsystem verstehen zu lernen, welches aus zahlreichen und unterschiedlichen Teilsystemen gebildet wird. Diese Teilsysteme sind miteinander über vielfältige Wechselwirkungen verknüpft und beeinflussen sich somit gegenseitig. Beispielgebend für solche Verflechtungen sind die Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Lachgas (N₂O) und Wasserdampf (H₂O). In der Luft liegen diese Gase zwar nur in geringen Konzentrationen vor, bestimmen jedoch in ganz entscheidendem Maße das Klima der Erde und somit die Lebensbedingungen für alle auf ihr lebenden Organismen.

Die Konzentration und Verteilung dieser Gase werden durch biologische, chemische und physikalische Prozesse gesteuert, die in der terrestrischen Biosphäre, in den Ozeanen und in der Atmosphäre ablaufen - und sie werden sowohl durch planetarische als auch durch menschliche Einflüsse modifiziert. So führten Veränderungen der Erdbahn um die Sonne und Schwankungen der Sonneneinstrahlung zu den bekannten Eiszeiten. Die Nutzung fossiler Brennstoffe, Waldrodung und land- und forstwirtschaftliche Aktivitäten setzen Kohlendioxid in großem Ausmaß frei und versetzen die Erdatmosphäre und das Erdklima in einen Zustand früherer geologischer Zeiträume, in denen der Mensch noch nicht existierte. Seit dem Beginn der Industrialisierung überlagern sich somit natürlich bedingte und auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ablaufende Konzentrationsänderungen der Spurengase mit anthropogenen Eingriffen.

Dies gilt nicht nur für das Kohlendioxid sondern auch für den Stickstoff und für das Süßwasser - damit wird die Erforschung des "Systems Erde" zur zwingenden Notwendigkeit: Es gilt herauszufinden, ob und bis zu welchem Grad die Natur menschliche Störungen noch ausgleichen kann und inwieweit sich das Gesamtsystem Erde in neue quasi-stationäre Zustände bewegt und ob diese zum Leben für den Menschen noch geeignet sind. In gleicher Weise kann man die biogeochemischen Kreisläufe mit der Landnutzung durch den Menschen und den Eingriffen in die Biodiversität in Verbindung setzen.

Für die Beantwortung dieser Fragen genügt es nicht, den gegenwärtigen Zustand des Gesamtsystems und seiner durch menschliche Einflüsse bedingten Änderungen zu erfassen. Vielmehr sind einerseits gezielte Experimente zur Aufdeckung funktioneller Zusammenhänge erforderlich, andererseits gilt es, Zustände der Vergangenheit zu erkennen, also paläoklimatologische und paläoökologische Untersuchungen vorzunehmen, um aus der Vergangenheit auf die Anpassungsfähigkeit der Organismen in der Zukunft zu schließen.

"Wie reagieren Ökosysteme und biogeochemische Kreisläufe auf sich ändernde Bedingungen des Klimas, der Landnutzung und der Diversität?" - diese Frage ist die zentrale Herausforderung für die Forschung im Max-Planck-Institut für Biogeochemie. Sie verlangt ein bisher ungekanntes Maß an Integration zwischen unterschiedlichsten wissenschaftlichen Disziplinen sowie eine enge Verbindung zwischen Modellierung und Beobachtung und zwischen theoretischer und experimenteller Forschung.

Das Programm des Institutes umfaßt die Planung und Durchführung kritischer Modellexperimente, den Vergleich zwischen Modell und Beobachtung sowie die Verknüpfung von Paläodaten und heutigen Befunden. Dementsprechend arbeiten Biologen, Meteorologen, Geowissenschaftler, Chemiker und Mathematiker in 3 Abteilungen interdisziplinär zusammen.

Zentrale Einrichtungen des Instituts unterstützen die Arbeit der wissenschaftlichen Abteilungen mit chemischer Analytik, Analytik Stabiler Isotope, ¹⁴C-Analytik, Datenverarbeitung und Rechnertechnik und der Organisation langfristiger Freilandexperimente.