Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen

3. Evolution

3.2.1Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen
_pagext - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenVoraussetzung für die Evolution der Organismen ist eine genügend
lange Entwicklungszeit
.Deshalb wollen wir uns zunächst mit der Erdgeschichte
und den Meßmethoden zur Altersbestimmung von Materie
befassen.

Die Entwicklung der modernen Astronomie, ausgehend vom heliozentrischen
Weltbild
des Kopernikus
über
die die Newtonschen Gesetze der Bewegung und Gravitation bis hin
zu Einsteins Relativitätstheorie brachten uns ein Bild der
Erde, das durch tausende von Fakten aus den unterschiedlichsten Wissenschaften
abgesichert ist. Tagtäglich benutzen wir technische Geräte,
die aufgrund dieser Theorien konstruiert wurden.

_messier - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenUnsere Erde
ist gemessen am unvorstellbar großen Universum ein winziger
Materienhaufen, der um einen Stern namens Sonne
kreist. Das Sonnensystem mit weiteren 8 Planeten liegt am Rande der
Milchstraße, einer Galaxis mit ca.
100 Milliarden Sternen, die sich wie die Millionen anderer Spiralnebel
mit einer Geschwindigkeit von mehreren 100 000 Km/Std. voneinander
entfernen. (siehe unten, Andromedanebel)

Muu6j4dk - Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen

Wir kennen durch die heliozentrische Parallaxe die Entfernungen
zu allen Objekten im Weltraum, durch die Rotverschiebung die Geschwindigkeiten
und deren Alter und durch die Spektralanalyse deren atomare Zusammensetzung.
Raumsonden und bemannte Raumfahrzeuge, die in den letzten 20 Jahren zu
den Himmelskörpern unseres Sonnensystems unterwegs waren bestätigten
die grundsätzlichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten,
die in den letzten 500 Jahren erarbeitet wurden.

Vor ca. 15 Milliarden Jahren begann die Materie im Urknall
zu expandieren.

_NEBULA0 - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenAm Anfang war der Wasserstoff. Er kondensierte in Milliarden von
lokalen großen Kugeln, in denen durch Kernfusion Helium gebildet
wurde:Sterne sind entstanden.In den Sternen entstanden andere Elemente wie z. B. Eisen. Vor
ca. 5-6 Milliarden Jahren wurde aus einem Stern, der H2-Mangel
hatte ein roter Riese, kollabierte und explodierte als Supernova.
In dieser Supernova, die es zu Milliarden im Universum gab, entstanden
alle anderen chemischen Elemente.Die Masse der neuen Materie konzentrierte sich wiederum zu einer
Gaswolke (a). Das Zentrum wurde extrem erhitzt und bildete einen
neuen Stern, unsere Sonne (b). Aus dieser Gaswolke kondensierten
die Planeten (c) und (d), alle mit Umlaufbahnen, die ungefähr
in einer Ebene liegen (Ausnahme: Pluto; deshalb möglicherweise
eine eingefangener Asteroid).

Auf diese Weise entstand auch die Erde. Als deren Masse zunahm,
wuchs auch die Gravitation und die Erde komprimierte sich zu einer
kleineren und dichteren Kugel ( vor ca. 4,5 Milliarden Jahren).
Durch den ungeheuren Druck im Inneren der Erde erhitzte sich das
Zentrum und begann zu schmelzen. Da Eisen das schwerste der in der
Erde enthaltenen normalen Elemente ist, schmolz dies und konzentrierte
sich im Erdinneren, wo es kondensierte.

Vor ca. 3.7 Milliarden Jahren verfestigte sich die Erdkruste. Aus Vulkanen
und Rissen strömten Gase und Lava aus. Die vulkanischen Gase sind
die gleichen wie heute:

Gase aus Vulkanen und Rissen in der Erdkruste

Die Gase verbanden sich zu:

Methan (CH4)
Ammoniak (NH3)
Blausäure (HCN).

    • Wasserdampf (H

2

    • O)
    • Chlorwasserstoff (HCl)
    • Kohlenstoffmonoxid (CO)
    • Kohlenstoffdixid (CO

2

    • )
    • Stickstoff (N

2

    )

Diese Atmosphäre war extrem lebensfeindlich.

Als sich die Erdkruste weiter abkühlte kondensierte das Wasser
und sammelte sich in den Ozeanen an.

Soweit die physikalische und primäre chemische Evolution
der Erde
.


Die Elemente, die wir von der Erde kennen kommen überall im Weltraum
vor, jedoch unterschiedlich verteilt. Da wir durch den Blick in den Himmel
in die Vergangenheit schauen (Licht hat eine Geschwindigkeit), wissen
wir, daß es die Materie, die Energie und die damit verbundenen Prozesse
schon vor Jahrmilliarden und überall gegeben hat. Die Materie und
Vorgänge auf der Erde sind also nichts Besonderes und ein Teil der
Prozesse, die im Universum ablaufen.

smoothm - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenMaterie aus dem Universum findet man regelmäßig in der
Antarktis.Verschiedene Forschergruppen beschäftigen sich damit, solche
Überreste von zum großen Teil in der Erdatmosphäre
verglühten Meteoriten zu sammeln und zu untersuchen.links ein
in den 90er Jahren gefundenes Exemplar
Es gilt der Uniformitarismus
(Hutton, 1788; Theory of the Earth), das Konzept, daß sich
die Naturgesetze über die Zeit und den Raum nicht verändern.Beispiel:

  1. Die Spektralanalyse der Sterne zeigt die gleiche Zusammensetzung
    wie die Erde. Das Experiment bringt heute in Frankreich wie im
    nächsten Jahrhundert dasselbe Ergebnis.

Weiterhin wird der Aktualismus
(Lyell) zugrundegelegt. Die Gegenwart ist der Schlüssel
zur Vergangenheit!
.

Beispiele:

  1. Wenn Furchungen in altertümlichem Sandstein identisch zu
    denen in modernen Gesteinen sind, wurden sie unter ähnlichen
    Umständen hervorgerufen.
  2. Wenn der Aufbau und die Zusammensetzung in einem altertümlichen
    Stein die gleiche ist wie in einem modernen Vulkangestein, kann
    man annehmen, daß der alte Stein ebenfalls durch vulkanische
    Aktivität entstanden ist.

Die Geologie ist die Wissenschaft, die sich mit der physikalischen
Geschichte der Erde und den physikalischen, chemischen und biologischen
Veränderungen, denen sie unterliegt beschäftigt.

(siehe dazu auch Biokurs Klasse 11 Ökologie)

Wie man an der bisherigen Erörterung erkennen kann, muß
die biologische Evolution als ein Teil der gesamten Entwicklung
des Universums
verstanden werden.

Die Geologen haben aufgrund unzähliger, weltweiter Messungen und
Beobachtungen eine geologische Zeitskala aufgestellt, in der sie
die Erdgeschichte nach geologischen Ereignissen einteilen. Die erste geologische
Zeittafel geht auf Arthur Holmes (1911-1927) zurück.

Datum

Uhrzeit

Zeitalter
Periode

Beginn
(Jahre von heute) 
1. Januar

00:00
 Azoikum

4.600.000.000
17. Februar

14:36

Präkambrium


Bakterien, Eukaryontische Zellen
Archaikum

4.000.000.000
16. Juni

15:07
Proterozoikum

2.500.000.000
19. August

02:36

1.700.000.000
21. Oktober

14:05

 900.000.000
15. November

04:26

Paläozoikum


erste Landpflanzen,Urfische, Amphibien, Insekten
Kambrium

590.000.000
18. November

18:07

545.000.000
20. November

17:44

520.000.000 
22. November

07:49
Ordovizium

500.000.000
23. November

21:54

480.000.000
25. November

12:00

460.000.000
27. November

02:05
Silur

440.000.000
28. November

16:10

420.000.000 
29. November

11:13
Devon

410.000.000
1. Dezember

01:18

390.000.000 
2. Dezember

05:52

375.000.000 
3. Dezember

10:26
Karbon

360.000.000
6. Dezember

05:05

325.000.000 
8. Dezember

23:44
Perm

290.000.000
10. Dezember

13:49

270.000.000 
12. Dezember

03:54

Mesozoikum 


Reptilien, Saurier
Trias

250.000.000

17:14

243.000.000
13. Dezember

18:00

230.000.000 
15. Dezember

08:05
Jura

210.000.000
17. Dezember

09:36

184.000.000 
19. Dezember

07:18

160.000.000 
20. Dezember

21:23
Kreide

140.000.000
24. Dezember

07:16

97.000.000 
26. Dezember

18:18

Känozoikum 


Blütenpflanzen, Insekten, Fische, Vögel,
Säugetiere
Tertiär

66.000.000
27. Dezember

15:15

55.000.000 
29. Dezember

03:26

36.000.000
30. Dezember

02:17

24.000.000 
31. Dezember

14:28:12

5.000.000

20:45:45
Quartär

1.700.000

22:37:48

720.000 

23:58:51

10.000

Diese Zeitspanne von mehreren Milliarden Jahren ist so unvorstellbar,
daß wir am besten einmal die 4,6 Milliarden Jahre auf einen Tag
legen und nachschauen, welche Fossilien man in der jeweiligen Zeit gefunden
hat (siehe nächstes Kapitel).

Man hat 2 Zeitskalen verwendet, um das Alter der Erde zu messen: eine

relative Zeitskalagründet sich auf die Abfolge von Ablagerungen
im Gestein und die Evolution des Lebens
absolute Zeitskalabasiert auf der natürlichen Radioaktivität
chemischer Elemente in bestimmten Gesteinen

Danach ist die Erde wie das gesamte Sonnensystem ca. 4, 6 Milliarden
Jahre alt. Da die ältesten Gesteine der Erde meist durch die Plattentektonik
zerfallen sind, konnte man bisher aus Gestein allein das Erdalter nicht
genau bestimmen. Die ältesten bisher gefundenen und radiometrisch
bestimmte Gesteine aus Kanada, Grönland, Afrika und Asien sind zwischen
3,4 und 3,9 Milliarden Jahre alt. Das älteste geprüfte Mondgestein
war 4,5 Milliarden Jahre alt, kaum jünger als verschiedene Meteoriten
mit 4,58 x 109 Jahre. Die Messungen korrespondieren mit dem
berechneten Alter der Milchstraße von ca. 10-13 Milliarden Jahren
und dem Urknall vor ca. 15 Milliarden Jahren.

3.2.1 Altersbestimmungen

Man kennt und verwendet heute eine Vielzahl verschiedener Altersbestimmungsmethoden.
Das Alter eines Objektes kann je nach Material mit mehreren korrelierenden
Methoden bestimmt werden. Durch Eichung, Vergleich und Bestimmung des
Meßfehlers ergibt sich ein gesichertes Alter.

Man verwendet heute z.B. die

  • Radiometrische Altersbestimmung (Zerfall radioaktiver Isotope wie
    K, U, Rb, Pb usw.)
  • Radiokarbonmethode (Zerfall von 14C in N)
  • relative geologische Zeitskala aus Sedimenten
  • Populationswachstum
  • Jahresringe bei Bäumen (Dendrochronologie)
  • Eisbohrkerne
  • Thermolumineszenz (TL) in menschlicher Keramik
  • Elektronen Spin Resonanz (ESR) (mißt e- in Knochen und Schalen)
  • Aminosäure Razemisierung (L —>D-Form; das D/L Verhältnis
    ist abhängig von der Zeit, Temperatur und der Art des Organismus).

Nachfolgend sollen die beiden wichtigsten und am häufigsten angewandten
Meßmethoden genauer besprochen werden.

Radiometrische Altersbestimmung

Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Masse, also unterschiedlicher
Neutronenzahl nennt man Isotope. Radioaktiver Zerfall ist ein spontaner
Prozess, bei dem ein Isotop Partikel seines Kerns verliert, um ein Isotop
eines neuen Elements zu bilden. Die Zerfallsgeschwindigkeit wird als Halbwertszeit
angegeben. Die meisten radioaktiven Isotope haben kurze Halbwertszeiten
und verlieren ihre Radioaktivität in ein paar Tagen oder Jahren.
Die langsam zerfallenden Isotope werden als geologische Uhr verwendet.
Die bei Gesteinsdatierungen am häufigsten verwendeten Isotope sind
nachfolgend zusammengestellt.


Ausgangs-Isotope

Stabiles Produkt

gegenwärtig akzeptierte Halbwertszeit
Uran-238Blei-206

4.5 Milliarden Jahre
Uran-235Blei-207

704 Millionen Jahre
Thorium-232Blei-208

14.0 Milliarden Jahre
Rubidium-87Strontium-87

48.8 Milliarden Jahre
Kalium- 40Argon-40

1.25 Milliarden Jahre
Samarium-147Neodym-143

106 Milliarden Jahre

 

Der mathematische Zusammenhang, der den radioaktiven Zerfall mit der
geologischen Zeit in Verbindung bringt heißt Altersgleichung:

alter3 - Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungent = Alter des Gesteins;
D = Anzahl der Atome des Produkts heute
P = Anzahl der Atome des Isotops heute

l = Zerfallskonstante
Die Halbwertszeit eines Isotops ist:Hwz1 - Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen

Obwohl die Theorie einfach ist, ist der Laboraufwand beträchtlich,
um das Alter eines Gesteins zu messen. Häufig wird die K-Ar-Methode
verwendet, da sie bei Gestein, das zwischen einigen Tausend Jahren und
Milliarden Jahren alt exakte Ergebnisse liefert. K ist in den meisten
Gesteinen vorhanden und läßt sich samt dem Zerfallsprodukt
Argon selbst in kleinsten Mengen messen. Meist werden mehrere Methoden
der Datierung verwendet.

Direkt werden nur Schmelzgesteine wie Granit und Basalt die aus Magma
kristallisiert sind radiometrisch gemessen. Diese enthalten jedoch keine
Fossilien. Sedimentgesteine wie Sandstein und Kalkstein werden durch Vergleich
mit Zeitzonen aus Schmelzgestein datiert.

Radiokarbonmethode

Die Radiokarbonmethode ist ein von W.F. Libby 1947 entwickeltes
Verfahren zur Altersdatierung von archäologischen und geologischen
Proben.
Sie beruht darauf, daß in den oberen Schichten der Erdatmosphäre
durch die kosmische Strahlung Neutronen erzeugt werden, die durch eine
Kernreaktion das Stickstoffisotop N-14 in das radioaktive Kohlenstoffisotop
C-14 umwandeln.


14N + Neutron => 14C
+ Proton
Das 14C wird schnell in 14CO2 oxidiert
und gelangt in die Nahrungskette.
decay - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenEs zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zurück in N-14 (b-Strahler).
Die Erzeugung und der Zerfall von C-14 stehen in einem offenen System im Gleichgewicht, so daß das Verhältnis von dem radioaktiven Nuklid C-14 zu den stabilen Isotopen C-12 und C-13 konstant bleibt. (C12 – 98.89%, C13 – 1.11% und C14 – 0.00000000010%)
_teach_0 - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenBei Kohlenstoff liegt dieses Isotopenverhältnis C-14/C-12 in der Atmosphäre bei 10-12. Dieses Verhältnis findet man auch in allen lebenden Organismen, da bei Stoffwechselprozessen alle Isotope eines Elementes in gleichem Maße beteiligt sind.

Stirbt der Organismus ab, so findet nur noch der Zerfall des instabilen Isotops nach dem bekannten Zerfallsgesetz statt. Daher kann aus dem heute noch vorhandenen Anteil an C-14 auf das Alter der Probe geschlossen werden.

Unten ist die Apparatur im Labor für die 14C-Methode zu sehen. Die Probe (mg reicht aus) wird im Vakuum in Ethen umgewandelt und dann durch ein Massespektrometer der 14C-Gehalt gemessen.

_lab - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenDiese Methode wird bei bis zu 50000-70000 Jahren alten Proben angewandt. Voraussetzung für die Zuverlässigkeit der Radiokarbonmethode ist das Wissen der ursprünglichen C-14 Konzentration in der Erdatmosphäre über viele Jahrtausende.

Änderungen der 14C -Konzentration entstehen durch Schwankungen der Intensität der kosmischen Strahlung und durch langsame Änderung des Erdmagnetfeldes.

Mit Hilfe der Dendrochronologie
ist eine genaue Bestimmung des ursprünglichen C-14 Gehaltes und damit
eine Eichung möglich.

Dendrochronologie

mlk128fz - Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen

Klimaschwankungen (feuchte oder trockene Jahre, warme oder kühle Sommer) können sich im Wachstum des Baumbestandes eines einheitlichen Klimagebietes gleichmäßig auswirken. Es ergeben sich unregelmäßige Baumjahresringe, die in der am Querschnitt eines Stammes ablesbaren Ringfolge als Zeitmarken auffallen.

_ghost - Paläontologie; Erdgeschichte, AltersbestimmungenDurch Aneinanderreihung von Jahresringen alter Bäumen bekannten Alters und durch Überlappung mit Jahresringen von historischen und archäologischen Holzfunden (Moorbäume, Grannenkiefern aus USA siehe links) läßt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die letzten 8000-9000 Jahre erstellen.

Links ist ein toter “Methusalem-Baum” (Pinus longaeva) zu sehen. Die Bäume wachsen an der Grenze Kaliforniens und Nevadas, werden bis zu 6000 Jahre alt und halten sich selbst abgestorben in dem trockenen heißen Klima Tausende von Jahren.

Somit ist man im Besitz von Eichmaterial bekannten Alters mit deren Hilfe die C-14 Konzentration in der Atmosphäre über die letzten 9000 Jahre bestimmt werden konnte.

Verifikation der Altersbestimmung

  • Es gibt derzeit über 40 radiometrische Altersbestimmungsmethoden, dazu andere Messmethoden wie Eisbohrkerne und Jahresringe der Bäume oder Aminosäure-Razemat-Messungen.
  • Alle verschiedenen Altersbestimmungsmethoden stimmen in ihren Ergebnissen
    überein und zwar über Millionen von Jahren hinweg. Die Unterschiede
    sind im erwarteten Fehlerbereich. Die Zerfallsraten sind exakt bekannt.
  • Eine riesige Anzahl Daten weist auf das genannte Erdalter hin. Hunderte von Speziallabors rund um die Welt, die sich damit beschäftigen liefern dasselbe Ergebnis.
  • Die radioaktiven Zerfallsraten, die in den letzten 40 Jahren gemessen
    wurden zeigen keine Abweichung. Seit fast 90 Jahren kennt man die Uran-Zerfallsrate,
    ohne Abweichung.
  • Die Mathematik der Altersbestimmung ist relativ einfach.

Betrachtet man die Zerfallsgleichung, dann müssen sich die Zerfallskonstanten oder die Zeit für alle Isotope synchron geändert haben, damit man von einer jüngeren Erde ausgehen könnte. Dies konnte man in den letzten 90 Jahren unserer Zeitmessung nicht feststellen!

Weiterführende Quellen:

Universum, Galaxien, Sterne, Planetenhttp://www.windows.umich.edu/
Metoriten in der Antarktishttp://www.cwru.edu/affil/ansmet/meteorites/index.html
Alter der Dinosaurierhttp://www.nova.edu/ocean/biol1090/W-DINO-SYLLABUS.htm
Radiokarbonmethodehttp://www.physik.uni-erlangen.de/KORA/index.html
http://www.radiocarbon.org/index.html
http://c14.sci.waikato.ac.nz/webinfo/int.html
Quartär und Altersbestimmunghttp://academic.emporia.edu/aberjame/ice/lec10/lec10.htm
Paläontologiehttp://www.geologie.uni-halle.de/palges/pg.html
Dendrochronologiehttp://tree.ltrr.arizona.edu/~grissino/henri.htm
http://www.emporia.edu/earthsci/student/nang/treering.htm
Entwicklung der modernen Astronomiehttp://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/development.html
Erdgeschichte, Geologiehttp://pubs.usgs.gov/gip/geotime/contents.html
http://gallery.in-tch.com/~earthhistory/images%20index.html
Geologische Zeithttp://www.rlcst.qc.ca/en/302.html
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