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

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.

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.

Das ¹⁴C wird schnell in ¹⁴CO₂ oxidiert und gelangt in die Nahrungskette.