Schritte durch die Zeit 02 - Stiftung Drittes Millennium

v
4600
MJ
MILLIONEN JAHREN
PULSSCHLAG
DER
SPHÄREN
Wir beginnen unsere Schritte durch die Zeit mit der Entstehung der
Sonne und der Erde, zwei Drittel des Weges durch die Geschichte
des Universums und 4,6 Milliarden Jahre vor dem Auftreten des
Menschen.
Ungefähr 15 Milliarden Jahre vor Beginn der menschlichen Entwicklung (über drei Kilometer hinter Ihnen, wenn drei Millionen
Jahre einem Meter entsprechen), entsteht das Universum mit einem
Urknall aus dem Nichts. Die ersten Sterne durchlaufen Zyklen von
Leben und Tod. Supernova-Explosionen schleudern im Inneren entstandene Elemente ins Weltall und schaffen dadurch dichte Wolken
von Molekülen und Staub.
Der unendliche Weltraum
Photo freundlicherweise von NASA
Neue Sterne und Planeten entstehen, wenn sich diese interstellaren
Nebel infolge ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und kondensieren. In einer Galaxie, die wir «Milchstrasse» nennen, zieht
sich der massive Kern eines solchen Nebels zusammen und bildet
unsere Sonne. In einer Umlaufbahn befindliche Gaswolken und
Staub verdichten sich zu Planetoiden, die dann zusammenprallen
und so die Planeten und Monde unseres Sonnensystems bilden.
Im Jahre 1054 registriert ein Erdenbewohner in
China die Explosion einer gewaltigen Supernova
in 6300 Lichtjahre Entfernung. Die Explosion erzeugt den Krabben-Nebel, der sich noch immer
mit einer Geschwindigkeit von 80 Millionen Kilometer pro Tag ausdehnt.
Photo freundlicherweise von NASA
Einschlagende Planetoiden beginnen die Erde zu bilden.
© Foundation for Global Community 1997
Gemälde © 1991 William K. Hartmann im Buch The History of the Earth von William Hartmann
und Ron Miller, 1991.
v
4500
MJ
MILLIONEN JAHREN
STERNE
– EIN ROHSTOFF FÜRS LEBEN
Die frühen Planeten bestehen zum Grossteil aus Verbindungen von
schweren Elemente. Wenn Planeten an Grösse zunehmen, vergrössert sich auch ihr Gravitationsfeld und zieht den nebulären Staub,
Planetoiden und kohlenstoffreiche Meteoriten an. Schliesslich besitzt die Erde genug Masse und kühlt sich genügend ab, um leichtere
gasförmige Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und
Wasserstoff zurückzuhalten, der stellare Rohstoff, aus dem später
Leben entstehen wird.
Planetoiden bombardieren ständig die wachsende, erst zur Hälfte
bestehende Erde.
Gemälde ©1991 William K. Hartmann
Eine dichte Atmosphäre hüllt die Erde in
ihrer vollen Grösse ein. Meteoriten aus
dieser Zeit bilden die ältesten Gesteine
des Planeten.
Gemälde ©1991 Ron Miller
© Foundation for Global Community 1997
Der Mond der Frühzeit, noch ziemlich nah bei der Erde, wirft einen eindrucksvollen Schatten auf sie.
Gemälde ©1991 William K. Hartmann
v
4400
MJ
MILLIONEN JAHREN
HEIMISCH
WERDEN
Radioaktive Elemente im Erdinnern zerfallen und Planetoiden bombardieren die Erde und ihre Schwesterplaneten, was eine ungeheure
Hitze erzeugt. Schwermetalle sinken ab und bilden Kerne, während
Vulkane leichtere Elemente in die Atmosphäre schleudern. Dieses
«Ausgasen» verändert die frühzeitlichen Atmosphären.
Die Schwesterplaneten des inneren Sonnensystems – Merkur, Venus,
Erde, Mars – erreichen in dieser Phase ihre heutige Konstellation.
Marslandschaft. Wir begeben uns in die Urzeit, wenn wir in den Weltraum vordringen. Durch das
Studium der Evolution der Planeten verstehen wir die Entwicklung der Umwelt auf unserer Erde
besser und ebenso die wesentliche Rolle, die das Leben in der Gestaltung unseres Heimatplaneten
spielt.
Photo freundlicherweise von NASA
© Foundation for Global Community 1997
v
4300
MJ
MILLIONEN JAHREN
FELSEN
NICHT IMMER EINE HARTE ANGELEGENHEIT
Die Veränderungsprozesse auf der Erde sind so gewaltig, dass nur wenige Spuren von den früheren planetären Oberflächen und Umgestaltung zurückgeblieben sind. Entscheidende und faszinierende Hinweise liegen in der Gesteins- und Mineralienbildung der Erde, insbesondere, wenn man sie mit der des Mondes und anderer Planeten
vergleicht.
Die ältesten Mineralkristalle auf der Erde, Zirkon aus dem Westen
Australiens, datieren bis 4,3 Milliarden Jahre zurück. Die ältesten
Fragmente von Mondgestein, die von den Apollo-Astronauten
zurückgebracht wurden, sind rund 4,5 Milliarden Jahre alt, die Gesteine aus den hellen Hochländern haben meist ein Alter von
4,0–4,3 Milliarden Jahren und die basaltischen Gesteine aus den
dunklen «Mondmeeren» (Maria) ein Alter von 3,15 bis gegen 4,0
Milliarden Jahre. Granitgestein aus der Umgebung von Kanadas
Great Slave Lake datiert 3960 Millionen Jahre zurück. Wissenschaftler sind der Meinung, dass diese Gesteine von noch älteren Krusten
stammen, die von der rastlosen Erde wiederholt geschmolzen wurden.
Bis jetzt hat man auf der Erde keine Gesteine gefunden, welche die im frühesten Stadium gebildeten
Zirkone enthalten. Vielleicht untergingen sie eine Metamorphose und änderten ihre Form in Folge
der fortwährenden Umwandlungen im Erdmantel und der Erdkruste. Von unserem menschlichen
Standpunkt aus erscheint das Gestein «felsenhart». In Wirklichkeit verändert es sich unter dem Einfluss von Hitze, Druck und Zeit. Fortwährende Transformationen im geologischen Zyklus geben uns
einen Vorgeschmack auf das später auftretende Leben.
Photo, Lois Brynes
© Foundation for Global Community 1997
v
4200
MJ
MILLIONEN JAHREN
REGEN
REGIERT
Beim Abkühlen der Erde kondensiert Wasser in der Atmosphäre und
es kommt zu anhaltenden Regengüssen. Grosse Meere bilden sich.
Erregte Vulkane speien überhitzte Erdmassen aus der Tiefe an die
Oberfläche.
Eine Überfülle von Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser sowie geringere Mengen von Methan und Ammoniak tanzen in der heissen Atmosphäre der Frühzeit. Durch intensive Energiequellen auf der primitiven Erde entstehen aus diesen Gasen biologisch wichtige Moleküle. Als derartige potentielle Energiequellen kommen
ultraviolette Sonnenstrahlung (zu diesem Zeitpunkt gibt es noch
keine Ozonschicht, die vor UV-Strahlen schützt), Radioaktivität
und wärmeführende Tiefseespalten in Betracht.
© Foundation for Global Community 1997
Photos freundlicherweise vom National Center for Atmospheric Research
v
4100
MJ
MILLIONEN JAHREN
URSUPPE
Die Bühne ist bereit für den Auftritt des Lebens, aber wie wird das
Drama eröffnet?
Zur Beantwortung dieser Frage untersuchen manche Naturwissenschaftler flüssige und athmosphärische chemikalische Kombinationen, die, durch Blitzschlag entzündet, spontan Leben hervorbringen
können. Andere untersuchen ursprüngliches RNS und DNS, die
Träger der Schlüsselinformation des Lebens. Wieder andere untersuchen das Potential für die Entstehung des Lebens in Tiefseespalten.
Eine fesselnde Hypothese nimmt an, dass das Leben in einer «Blase»
entstanden ist. Ölige, blasenähnliche Tröpfchen könnten als gastliche Hüllen für Vorläufer des Lebens gedient haben. Ihre Oberfläche
erlaubt Kommunikation und Austausch zwischen ihrem Inneren und
der Aussenwelt. Diese Vorläufer der eigentlichen Lebensform werden
durch die Aufnahme von Sonnenenergie und organischen Rohstoffen von der Erde, den Kometen und den Astroiden immer komplexer. Wachsend, selbstversorgend und -regulierend, schaffen diese
Blasen in subtiler und erstaunlicher Weise den Übergang zum Leben.
Entstand das Leben in hydrothermalen Spalten? Milliarden Bytes von Satelliteninformationen ermöglichen es uns, das Leben als planetarisches
Phänomen zu sehen.
Satellitenbild freundlicherweise von NASA
© Foundation for Global Community 1997
v
4000
MJ
MILLIONEN JAHREN
EXTREMISTEN
Bakterien sind die ersten Lebensformen auf der Erde. Selbst heute
dominieren sie noch immer die Evolution der Umwelt. Archae-Bakterien gedeihen in extremsten Umweltbedingungen, wie sie typisch
sind für die Urzeit der Erde.
Hitze- und säureliebende Bakterien gedeihen in kochendem
Schlamm, in heissen Quellen, in Tiefseespalten und aschenspeienden Vulkanen. Einige fühlen sich in 113 °C heissem Wasser wohl
und andere gefrieren schon bei Temperaturen von 55 °C! Wieder
andere dieser Bakterien leben in Tümpeln von konzentrierter
Schwefelsäure.
Extremisten schwelgen in diesem schwefelsäurereichen
Fluss, Rio Tinto, in Huelva, Spanien.
Photo, Anabel Lopez
Heutige mikrobielle Methanerzeuger gedeihen gut in sauerstofflosen
Sedimenten im Inneren von Tieren und in Abwässern. Diese Bakterien erzeugen das gesamte Methan der Erdatmosphäre und tragen
dazu bei, dass der Sauerstoffgehalt in der Erdbiosphäre keine explosiven Werte erreicht.
Mikrobenextremisten in Bandwürmern bilden die Grundlage für dieses hydrothermale Tiefseespaltenökosystem des
20. Jahrhunderts. Viele Wissenschaftler glauben, dass das
Leben unter diesen extremen Bedingungen in den Meeresspalten begann.
Photo freundlicherweise von der Jason Foundation for Education
© Foundation for Global Community 1997
v
3900
MJ
MILLIONEN JAHREN
LEBEN
ERGREIFT
BESITZ
Mit der Entwicklung besserer Methoden für Beobachtung und Analyse kann der Beginn des Lebens immer weiter in die Vergangenheit
zurückverfolgt werden. Neueste Entdeckungen lassen vermuten, dass
der Ursprung des Lebens auf der Erde möglicherweise 3850 Millionen Jahre zurückliegt in eine Zeit, in der unser Planet schwer von
Meteoriten und anderen interstellaren Objekten bombardiert wurde.
Erdlandschaft der Archaik
Wandgemälde von Peter Sawyer, freundlicherweise von der Smithsonian Institution
© Foundation for Global Community 1997
v
3800
MJ
MILLIONEN JAHREN
FEIER
DER
VIELFALT
SCHNELL UND FLEXIBEL
Schnelle Bakterien spalten und klonen sich alle 20 Minuten. Auf
eine Million Teilungen ist möglicherweise eine Bakterie ein Mutant.
Während die meisten Mutanten sterben, klonen sich die Überlebenden schnell und breiten sich in ihrem Umfeld aus.
Bakterien sind nicht nur schnell, sie sind auch flexibel. Geübt im
Austausch von Genen, schaffen sie nicht nur die nächste Generation, sie können selbst die neue Generation werden. «Horizontale»
Evolution schafft ganz neue Arten von Lebewesen.
Wie wäre das Leben, wenn Menschen mit derselben Leichtigkeit
Ideen austauschen könnten?
In Baja California klonen sich Milliarden von phototropen Bakterien in der Wärme eines sonnengetränkten Salzmarschpfuhls und betreiben Tauschhandel. Mit genügend Nahrung, Wasser und Lebensraum (und keinen Feinden!) könnte eine einzige Bakterie in zwei Tagen 2144 Bakterien bilden (weitaus mehr als alle Menschen zusammen, die je gelebt haben) und in vier Tagen 2266 Individuen
(mehr als alle Protonen oder Quarks, die nach wissenschaftlicher Schätzung im Weltall existieren).
Photo, Lynn Margulis
© Foundation for Global Community 1997
v
3700
MJ
MILLIONEN JAHREN
GÜNSTIGE GÄRUNGSPRODUZENTEN DES LEBENS
Das Leben ist leicht für die ersten Lebewesen der Biosphäre, da sie
durch Gärung einen grossen Vorrat an freien organischen Verbindungen in der Atmosphäre fermentieren. Diese anaeroben (ohne
Sauerstoff lebenden) Schmarotzer verursachen die erste Nahrungskrise des Lebens: Sie reproduzieren sich derart rasch, dass sie die
Nahrung schneller aufbrauchen, als die Atmosphäre sie erneuern
kann.
Manche Nachkommen dieser vom Glück begünstigten Entwicklungshelfer zeigen ein aussergewöhnliches Geschick, ihre Probleme
zu lösen: Sie überwinden die Nahrungsknappheit, indem sie ihre eigene Nahrung produzieren. Diese planetaren «Primärproduzenten»
verwenden Licht oder Chemikalien zur Energieproduktion und erzeugen ihre Nahrung direkt aus Kohlendioxid.
Grüne und purpurne Mikroben sind für die wichtigste metabolische
Innovation der Erdgeschichte, die Photosynthese, verantwortlich.
Diese frühen Wunderkinder praktizieren eine ganz spezielle Photosynthese, die als «Abfall» Schwefel statt Sauerstoff erzeugt. Mit
Hilfe von Sonnenenergie entziehen diese Mikroben dem aus Tiefseespalten und Vulkanen stammenden Schwefelwasserstoff den Wasserstoff und kombinieren ihn mit Kohlendioxid, um ihre eigenen Körper zu produzieren.
Diese Seebewohner sind zeitgenössische Verwandte der frühesten Photosynthese-Bakterien auf der Erde. Grüne
Chlorobium-Bakterien, die ersten solaren Sulfidfresser unseres Planeten, residieren hier mit rosa und purpurnen
Völkern anderer früher sauerstoffloser Photosynthese-Bakterien. Vor ungefähr 3,7 Milliarden Jahren, als wasserstoffhungrige Mikroben sich in Vulkanen, Bimsstein und schwarzem Sand ansiedelten, glänzte die Landschaft
der Archaik in intensivem Grün, Rot, Purpur und Orange.
Zeichnung, Christie Lyons
Chromatium-Bakterien schwimmen zum Licht
und ihrer Lieblingsnahrung, Schwefelwasserstoff,
und halten sich dabei möglichst weit weg von geringsten Spuren von Sauerstoff. Wie die meisten
Bakterien in der Wildnis leben sie in gegenseitig
abhängigen Gemeinschaften grosser und verschiedenartiger Kolonien.
Photo, Ricardo Guerrero
© Foundation for Global Community 1997
Umweltverschmutzung? Keineswegs! Praktisch alle Seen
beherbergen Nachkommen uralter Mikroben, die Photosynthese betreiben, jedoch keinen Sauerstoff vertragen
und daher meist in trüben Tiefen hausen. Hier im CisóSee in Spanien schützen Bäume und reichlich vorhandene Schwefelwasserstoffvorkommen vor der Zufuhr von
Sauerstoff durch den Wind, und die gesunden Chromatien verleihen dem See ein anmutiges Rosa.
Photo, Norbert Pfennig
v
3600
MJ
MILLIONEN JAHREN
UND
DAS WASSER
TEILTE SICH
Nachdem sich die Erde beruhigt hat, wird der Wasserstoff knapp. Die
Zyanobakterien (die blaugrünen, schlauesten unter den Mikroben)
sind Pioniere der Intranet-Methode: Sie kombinieren in sich zwei
Photosynthesesysteme. Das gibt den Zyanobakterien genügend Energie, um die starken Bindungen im Wassermolekül zu spalten und auf
diese Weise Wasserstoff zu gewinnen.
Nichts darf vergeudet werden. Grosse Neuerungen bringen oft Überraschungen und ungeahnte Resultate mit sich. Diese Methode der
Energieumwandlung durch Gewinnung von Wasserstoff erzeugt jedoch auch ein giftiges Nebenprodukt, den Sauerstoff, der andere
anaerobe Mikroben vergiftet, während sich dadurch neue und mannigfaltige Möglichkeiten für sauerstoffatmende Bioten eröffnen.
Photo, Carmen Aquilar-Diaz
Sonnenbadende mikrocoleus cthonoplastes-Bakterien sind mit Schutzhüllen
gegen ultraviolette Strahlung ausgestattet.
Wir verstehen noch immer nicht, wie
sich diese gleitenden Mattenerzeuger
fortbewegen.
Photo, John Stoltz
© Foundation for Global Community 1997
v
3500
MJ
MILLIONEN JAHREN
STROMALITEN (STROMA)
GEMEINSCHAFTSLEBEN
Schon früh erfassen die Mikroben die Vorteile des Gemeinschaftslebens. Der Abfall einer Mikrobe wird zur Mahlzeit einer anderen.
Nahrungsaufnahme, Fortpflanzung und Ausscheidung sind Konstante
in der fortwährenden Entwicklung des Lebens. Mikrobenmatten bilden reichhaltige, vielschichtige Ökosysteme und entwickeln unter
günstigen Bedingungen bakterielle Stromatawolkenkratzer.
Photo, J. William Schopf
Die blaugrünen Bakterien leben in den obersten Schichten und
schlüpfen aus ihren vor ultravioletten (UV) Strahlen schützenden
Hülle, um Sonnenenergie zu tanken, und anschliessend wieder
zurück. Zyanobakterien erzeugen eine Unmenge von Nahrung.
«Konsumenten»-Bakterien, die gegen Sauerstoff immun sind,
schliessen sich schnell den Zyanobakterien an. In den unteren
Schichten leben gemischte Populationen von Produzenten und Konsumenten, von denen jede eine spezifische Toleranz gegenüber Sauerstoff, Licht und Sulfiden besitzt sowie eigene Nahrung benötigt.
Dieser versteinerte Stromalit (oben) zeigt die Vorteile des geschäftigen, in Schichten aufgebauten mikrobiellen Gemeinschaftslebens vor 3,5 Milliarden Jahren in Warrawoona, im
Nordwesten Australiens. Die lebende mikrobielle Matte (unten) stammt aus Matanzas, Kuba.
Photo, Peter Westbroek
© Foundation for Global Community 1997
v
3400
MJ
MILLIONEN JAHREN
LEBENSSTIL
DER
KLEINSTEN
Zur Zeit der Entstehung der dichtesten und ältesten Teile der Kontinente experimentieren die Mikroben bereits mit verschiedenen Lebensstilen. Diejenigen, die schwimmend ihre Lebensräume erforschen, bewegen sich von einem Mahl zum anderen. Viele Mikroben
pflegen koloniale Lebensstile; grosse Populationen vermischen miteinander zu Nahrungs- und flexiblem Genaustausch.
Mikroben experimentieren mit vielzelligen Lebensstilen. Einige bilden Komplexe, die eine gespenstige Ähnlichkeit mit uns vertrauten
Landschaften haben.
Diese Myxobakterie verwendet als Lebensform eine «Baumtechnik» um sich über Perioden des Nahrungsmangels und der Wasserknappheit hinwegzuretten. Wenn sich die
Lage wieder bessert, wirft diese Mikrobe melonenartige Scheinfrüchte ab und setzt so
Millionen von Bakterien frei, die sich dann vermehren und wieder verwandeln.
© Foundation for Global Community 1997
Photo, Hans Reichenbach
Bakterien leben in verschiedenartigen Kolonien zusammen.
Photos, Lynn Margulis