3. Evolution

3.2.1

Paläontologie; Erdgeschichte, 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 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 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 (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.


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.

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 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 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-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 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.

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 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, Planeten

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

Metoriten in der Antarktis http://www.cwru.edu/affil/ansmet/meteorites/index.html

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
http://gallery.in-tch.com/~earthhistory/images%20index.html

Geologische Zeit

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