Schritte durch die Zeit 02 - Stiftung Drittes Millennium
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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
