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Evolution der Biosphäre
Komplex II
Was ist Leben?
Entstehung und frühe Evolution des Lebens
Vielfalt und
Komplexität
earliest bird
earliest reptile
earliest mammal
Fakten und Theorien
Vorbemerkung: Fakten, Forschung, Wissenschaft, Glauben
Prof.Dr. J.W. Schneider / Prof.Dr. O. Elicki
http://www.geo.tu-freiberg.de/palaeo/downloads.html
1. Einleitung
im Kambrium bei 540 Ma –
 reiche Tier- und Pflanzenwelt
in Ozeanen
 alle Tierstämme vorhanden,
auch Vorfahren der Vertebraten
 erstmals Skelett tragende Mehrzeller
 explosive Zunahme von Bauplänen und Organismengruppen
Wende Vendium/Kambrium markantester
Schnitt in biologischer Evolution =
Kambrische Explosion
Ursachen ?
(nach “molecular clock” Differenzierung wichtigster Organismengruppen bereits vor 1,2 Mrd. a)
1. Frage: Erdalter + Zeitraum für Entstehung des Lebens
Isotopenalter von Gesteinen:
Meteorite 6,0 - 6,5 Mrd. a
Magmatite 4,5 – 4,0 Mrd. a
Sedimente 3,9 – 3,5 Mrd. a
Erdalter ca. 5 – 10 Mrd.
Erdalter auf 5 Mrd. gesetzt
- von Beginn Kambrium bis heute
nur 1/10 der Erdgeschichte
- 9/10 der Erdgeschichte für Evolution
bis zur Organismenwelt des Kambrium
zur Verfügung
(Mensch 5 Ma – 1/1000 Erdzeit)
2. Frage: Wie kam es in diesen 9/10 Erdzeit zur Entstehung des Lebens ?
Die Fakten:
Fossilien und Sedimente
3,8 Mrd. A – Isua-Quarzit Grönland
 umstrittene Cyano- und Archaebakterien
δ 13C-Werte
Hinweis auf biotische Isotopenfraktionierung
(leichtes Isotop 12C wird von Organismen eingebaut)
älteste Organismenfunde
Bitter Springs
Fm.
(0,85 Mrd. a)
Gunflint Fm.(2 Mrd. a)
Belcher Gr. (2 Mrd. a)
Bitter Springs Fm.
(0,85 Mrd. a)
Roper Gr. (2 Mrd. a)
N-Australien (1,5 Mrd. a)
Stromatolithe
- Biomatten-Sequenzen -
3,5 Mrd. a – erste Stromatolithe
Apex-Chert, W-Australien
 δ 13C-Werte des Kerogens (Chemofossil!)
aus den Sedimenten
photoautotrophe Organismen
früharchaisch bereits O2-Photosynthese
Stromatolithe = Biomatten-Sequenzen
Biomatte = Mikrobenmatte aus Photosynthese betreibenden Cyanobakterien und organischen Schleimen
Stoffwechsel der Bakterien
 Bildung von Calciumcarbonat durch Konzentration von Ca2+-Ionen plus CO32- -Ionen
 Schleime binden zusätzlich Sedimentpartikel
 tägliche bis jahreszeitliche Wechsel in Intensität Photosynthese  Karbonatlagen
Schleim
Cyanos
CaCO3
Biofilm an Stromatolithen-Oberfläche
alkalischer Salzsee Walker Lake (Nevada),
rosa - Cyanobakterien (J. Reitner)
Stromatolithe = Biomatten-Sequenzen
Stoffwechsel der Bakterien
 Bildung von Calciumcarbonat durch Konzentration von Ca2+-Ionen plus CO32- -Ionen
 Schleime binden zusätzlich Sedimentpartikel
 tägliche bis jahreszeitliche Wechsel in Intensität Photosynthese  Karbonatlagen
Mega-Stromatholithe, Präkambrium, Kanada
2,8 – 2,5 Mrd. a – erste Blütezeit mariner Stromatolithe
2,7 Mrd. a – terrestrische Microben-Matten in Paläoböden,
Transvaal, S-Afrika
Stromatolithe - O2-Produktion – Hydrosphäre - Atmosphäre
Hamersley, W-Australien
Itabirite – gebänderte marine Eisenerze
(banded iron formations – BIF´s)
weit verbreitet von 3,3 bis 1,8 Mrd. a
kein freier O2 in Atmosphäre,
wenig O2 in den Meeren
2,3 Mrd. a Laterite auf Basalten in S-Afrika mit typischer Struktur rezenter Laterite in Tropen
– Bildung durch org. Säuren aus Zersetzung org. Substanz bei Anwesenheit von O2
1,8 Mrd. A – erste Rotsedimente (z.B. Dala-Sandstein, Skandinavien)
um 2 Mrd. a freier O2 in Atmosphäre
Atmosphäre und Evolution
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K ro
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9
Sauerstoff
3.1. „Faunen“ im Präkambrium
Zytoplasma
Prokaryoten “Fauna”
dominant:
Eubakterien, Cyanobakterien,
Nucleoid
Capsula
Zellwand
zytoplasmische
Membran
Ribosomen
Pilii
Flagella
Ediacara Fauna
Balken: 1 cm
dominant:
Vendobionten,
Echinodermen-Vorformen,
Arthropoden-Vorformen, ...
(rd. 575-540 Ma)
Spriggina
Dickinsonia
„die Gärten von Ediacara“
um 600 Ma
Mawsonites
Charniodiscus
- früheste mehrzellige Organismen
(Metazoa) als Körperfossilien,
bis 1 m lang – “Tierniveau” in der
Evolution der Organismen
- Ernährungsweise diskutabel:
Filtrierer? Detritus-Fresser? Räuber?
oder
chemoautotroph? photoautotroph?
Von der Schneeball Erde zur
Explosion des Lebens
 mehrere Eiszeiten im Proterozoikum
 ?globale Vereisung um 620 MA
10 – 20 MA lang
kilometermächtige
Eispanzer bis zum Äquator?
„Schneeball Erde“ bedeutet ...
vollständige Eisbedeckung der Landmassen ( … km)
vollständige Eisbedeckung der Ozeane (? bis 1 km)
dramatische Umstellung (?Ausfall) atmosphärischer und
ozeanischer Zirkulationssysteme
dramatische Einschnitte in der Biosphäre
größte („Umwelt-“) Katastrophe in der
Entwicklungsgeschichte der Erde
Schneeball Erde: Gesteine
dropstones
Diamiktite
(unsortiert, unreif, ungerundet:
Eisberg-Transport)
Schneeball Erde: Gesteine
Itabirite
gebänderte Hämatit-Quarz-Gesteine
cap carbonates
(feinkörnige, laminierte, fossilfreie Dolomite)
Schneeball Erde: Lagerstätten
Itabirite gebänderteHämatit-Quarz-Gesteine
Banded Iron Formations - BIFs
BIF-Genesemodell Entwicklung Atmosphäre
– O2-freie Atmosphäre
– O2-Produktion in den Ozeanen
BIF-Genesemodell Snowball Earth
4. Kambrische Explosion
Th. Voigt
1.BiomineralisationsEvent
 small shelly Faunen
U. Kambrium
calcitische Skelette entstehen
Entgiftung
Speicher
Schutz
Stabilisierung
Motorik
Lithosphäre:
biogene Karbonat-Sedimente
2. BiomineralisationsEvent
U. Kambrium
Chitin-Skelette entstehen
Entgiftung
Speicher
Schutz
Stabilisierung
Motorik
Biosphäre:
komplexere Nahrungsketten mit effektiveren Räuber-Beute-Beziehungen
Räuber/Beute-Beziehungen: schneller, stärker, effizienter  Wettbewerb
Beschleunigung der Evolution
erste Jäger - Anomalocaris
Vom mat ground zum mix ground – Recycling von Nährstoffen
Präkambrium
tote org. Substanz bzw. Abbauprodukte
im Sediment begraben
 keine Rückführung in den Kreislauf
Kambrium
tote org. Substanz bzw. Abbauprodukte werden
durch Bioturbation in den Kreislauf zurückgeführt
 effektiveres Recycling
Vom Meer auf das Land - frühe Terrestrialisierung
Oberkambrium (495 Ma)
Mittelkambrium (510Ma)
Oberkambrium
(495 Ma)
Fährten
Mittelkambrium (510 Ma)
Sporomorphen
Proterozoikum
(1Mrd. a)
Biomatten
5. Grundprobleme des Überganges abiotische/biotische Evolution
1. Frage: Was ist Leben?
“Minimalorganismus”
Stoffwechsel
Kompartimentierung
Anpassung
Katalyse
8
Säulen
Reproduktion
Regulation
Wachstum
genet. Programm
2. Frage: Was geht im Labor?
Bildung organischer Moleküle
Uratmosphäre und – hydrosphäre: NH3, CH4, CO, CO2, H2, H2O plus Energie
im Labor z.B. Oparin, Haldane, Miller, Rivera, Lake, Lahuis ...
Entstehung von Blausäure, Acetylen, Zucker,
Aminosäuren
 simple Moleküle
 keine höher-komplexen Verbindungen
Entstehung und frühe Evolution
des Lebens
Vier Schritte auf dem Weg zum Leben
Alanin
Acetylen
Bildung organischer Moleküle
Bildung von Molekülsystemen
Peptid
natürliche Auslese
Alanin
Julia-Menge
Selbstorganisation der Molekülsysteme
Bildung organischer Molekülsysteme
... an Kristallmatrizen ...
z.B. Tonminerale, Calcit, Pyrit
Entstehung organischer Polymere, Peptide
 Aminosäure-Ketten „vom Fließband“
Weg zum Leben - black smoker an Mittelozeanischen Rücken
Durchlaufreaktoren für organische Makromoleküle
black smoker, rezent
black smoker, fossil, massive Sulfide,
Praekambrium, China
Vielfalt und Komplexität
Jeder Evolutionsschritt bedeutet:
 Kanalisation,
 Einschränkung von Freiheitsgraden,
 Gerichtetheit (= Entwicklung),
Start:
16 Alternativen
A:
9 Alternativen
A2:
4 Alternativen
A2,2:
2 Alternativen
A2,2,1:
0 Alternativen
Phylogenese
 Unumkehrbarkeit.
Frühe Evolution Biosphäre: Zusammenfassung
Konsolidierung der Erde: ~ 4,6 Mrd. a
feste Kruste / freies Wasser: ~ 4,4 Mrd.a
älteste Gesteine: ~ 3,96 Mrd.a
älteste Fossilien (Cyanos): ~ 3,5 Mrd.a
signifikanter freier Sauerstoff: ~ 2 Mrd.a
älteste nachgew. Eukaryota: ~ 1,4 Mrd.a
älteste nachgew. Vielzeller: ~ 580 Ma Ediacara Fauna
Kambrische Explosion: 530 – 500 Ma
1. Biomineralisationsereignis – Calcit-Skelette: ~ 540 Ma
2. Biomineralisationsereignis – Chitin-Skelette: ~ 520 Ma