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3. Evolution |
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| 3.2.1 Paläontologie; Erdgeschichte, Altersbestimmungen | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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 Galaxie mit ca. 100 Milliarden Sternen, die sich wie die Millionen anderer Spiralnebel( z.B. Andromeda) mit einer Geschwindigkeit von mehreren 100 000 Km/Std. voneinander entfernen.
Die Milchstraße ist ein Spiralnebel mit 4 Armen, in dessen Orion-Arm unsere Sonne liegt. Die Sonne rotiert mit ca. 220 Km/sec in ca. 240 Millionen Jahren einmal um das galaktische Zentrum. Die unterschiedliche Rotation der Spiralarme sorgt dafür, daß unser Sonnensystem zyklisch in die Nähe solcher Arme gerät, zuletzt vor ca. 70 Millionen Jahre wurde der Sagittarius-Carina-Arm passiert. Durch die hohe Anzahl Sonnen und Supernovas in solchen Armen erhöht sich dann kosmische Strahlung, nach der Passage sinkt sie wieder. 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. Am Anfang war der Wasserstoff. Er kondensierte in Milliarden von lokalen großen Kugeln, in denen durch Kernfusion Helium gebildet wurde: Sterne waren 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:
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.
Materie 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. Abb. 4 zeigt ein in den 90er Jahren gefundenes Exemplar.
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)
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.
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
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
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.
Der mathematische Zusammenhang, der den radioaktiven Zerfall mit der geologischen Zeit in Verbindung bringt heißt Altersgleichung:
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. Die Radiokarbonmethode ist
ein von W.F. Libby 1947 entwickeltes Verfahren zur Altersdatierung
von archäologischen und geologischen Proben.
Das 14C wird schnell in 14CO2 oxidiert und gelangt in die Nahrungskette.
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. In Abb. 7 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.
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 Abb. 8) läßt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die letzten 8000-9000 Jahre erstellen. In Abb. 8 ist ein toter "Methusalem-Baum" (Pinus longaeva) und ein lebender 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.
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