1.2

Evolution von Pro-zur Euzyte

1.2.1

Voraussetzungen für die Entstehung von Leben

1.2.1.1

Erdgeschichte, physikalische Evolution, Altersbestimmungen

Voraussetzung 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.

Unsere 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)

Wir kennen durch die 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.

Am 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 exlodierte als Supernova. In dieser Surpernova, 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 (H2O)
    Chlorwasserstoff (HCl)
    Kohlenstoffmonoxid (CO)
    Kohlenstoffdixid (CO2)
    Stickstoff (N2)

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.

1.2.1.2

Paläontologie

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.

 

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 Schlüssl 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 diegleiche ist wie in einem moderen 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.

 

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 um uns einen besseren Überblick zu verschaffen.

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

relative Zeitskala

gründet sich auf die Abfolge von Ablagerungen im Gestein und die Evolution des Lebens

absolute Zeitskala

basiert 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 Milchsträße 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-238

Blei-206

4.5 Milliarden Jahre

Uran-235

Blei-207

704 Millionen Jahre

Thorium-232

Blei-208

14.0 Milliarden Jahre

Rubidium-87

Strontium-87

48.8 Milliarden Jahre

Kalium- 40

Argon-40

1.25 Milliarden Jahre

Samarium-147

Neodym-143

106 Milliarden Jahre

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

t = Alter des Gesteins;
D = Anzahl der Atome des Produkts heute

P = Anzahl der Atome des Isotops heute
l = Zerfallskonstante

Die Halbwertszeit eines Isotops ist:

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 Tausen 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.

 

Es 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%)

Bei 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.

Diese 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

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.

Durch 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 radiaktiven 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 realtiv 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, Planeten

http://www.windows.umich.edu/

Alter der Dinosaurier

http://www.nova.edu/ocean/biol1090/W-DINO-SYLLABUS.htm

Radiokarbonmethode

http://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 Altersbestimmung

http://academic.emporia.edu/aberjame/ice/lec10/lec10.htm

Paläontologie

http://www.geologie.uni-halle.de/palges/pg.html

Dendrochronologie

http://tree.ltrr.arizona.edu/~grissino/henri.htm
http://www.emporia.edu/earthsci/student/nang/treering.htm

Entwicklung der modernen Astronomie

http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/development.html

Erdgeschichte, Geologie

http://pubs.usgs.gov/gip/geotime/contents.html

Geologische Zeit

http://www.rlcst.qc.ca/en/302.html