Wenn du den Film vorspulen würdest, würdest du viel Action und viele Veränderungen sehen! Du würdest sehen, dass unser Planet im Laufe von Milliarden von Jahren bemerkenswerte Veränderungen durchgemacht hat (Abbildung 12.3). Riesige Berge haben sich gebildet, wurden zerstört und durch neue Berge ersetzt. Die Ozeane haben sich aufgetan und sich um den Globus bewegt. Die Kontinente haben sich verschoben, sich voneinander getrennt und sind miteinander kollidiert, bis sie schließlich ihre heutige Lage erreicht haben. Auch das Leben auf der Erde hat sich gewaltig verändert. Am Anfang war die Erde nicht einmal in der Lage, Leben zu tragen. Es gab keinen Sauerstoff in der Atmosphäre, und die Erdoberfläche war extrem heiß. Langsam, über Millionen von Jahren, veränderte sich die Erde so, dass Pflanzen und Tiere wachsen konnten. Die Lebewesen veränderten die Erde dann noch mehr.
Abbildung 12.3: Die Erde aus dem Weltraum. Die Erde sieht heute ganz anders aus als bei ihrer Entstehung vor über 4 Milliarden Jahren.
Wir benutzen oft gerne unsere Vorstellungskraft, um uns vorzustellen, wie die Erde aussah, als die Dinosaurier umherzogen (Abbildung 12.4). Welche Bilder kommen dir in den Sinn, wenn du an die Dinosaurier denkst? Stellen Sie sich nun eine Zeit auf der Erde vor, die noch vor den Dinosauriern lag. Stellen Sie sich die Zeit vor, bevor es irgendein Lebewesen auf der Erde gab. Welche Bilder kommen dir jetzt in den Sinn? Was glaubst du, wie die Erde aussah, als sie zum ersten Mal geformt wurde? Diese Lektion wird dir helfen zu verstehen, wie sich die Erde gebildet hat, wie sie in ihren frühesten Jahren aussah und wie sich das erste Leben auf der Erde entwickelte.
Abbildung 12.4: Die Erde und ihre vorherrschenden Lebensformen haben sich im Laufe der langen Erdgeschichte verändert.
Auswerten von Vorwissen
Die folgenden Fragen werden in anderen Kapiteln behandelt und helfen Ihnen bei der Bearbeitung dieser Lektion. Recherchiere sie, bevor du weitermachst.
- Was sind chemische Elemente?
- Welche Bedingungen brauchen Pflanzen und Tiere zum Leben?
- Was ist die Atmosphäre und woraus besteht sie?
- Wie wirken sich Verwitterung und Erosion auf die Erde aus?
Enstehung der Erde und unseres Sonnensystems
Wir können die Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems nachvollziehen, indem wir uns Regionen ansehen, in denen sich andere Sterne gerade bilden. Die Sternentstehung beginnt, wenn eine riesige Wolke aus Gas und Staub unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbricht. Während sich die Wolke zusammenzieht, beginnt sie sich schneller zu drehen und setzt sich in einer scheibenförmigen Struktur ab. Wir sehen diese scheibenförmigen Objekte (Proplyds genannt) im Orionnebel (Abbildung 12.13), wo sich heute die neuen Sterne bilden. Der größte Teil des staubigen Scheibenmaterials fließt zum Zentrum hin ab, wo die Dichte allmählich zunimmt, bis der enorme zentrale Druck Kernfusionsreaktionen auslöst und der Stern geboren wird.
Ein relativ kleiner Teil des Scheibenmaterials bleibt jedoch in Form von eisbedeckten Staubkörnern zurück. Die Eishüllen der Körner beginnen zusammenzukleben und wachsen schließlich zu metergroßen Gesteinsbrocken an, die Planetesimale genannt werden. Die Planetesimale kollidieren und wachsen zu größeren Körpern mit einem Durchmesser von mehreren zehn Kilometern zusammen, den so genannten Protoplaneten. Sobald die Protoplaneten eine Lücke in der Scheibe überwunden haben, werden sie zu echten Planeten, und ihre Bahnen beginnen sich zu stabilisieren (Abbildung 12.6).
Abbildung 12.6: Künstlerische Darstellung eines Baby-Sterns, der noch von einer protoplanetaren Scheibe umgeben ist, in der sich Planeten bilden.
Der Prozess der Planetenbildung ist chaotisch. Nicht alle Planetesimale werden zu Planeten akkretiert. Millionen von Planetesimalen bleiben als Trümmer übrig und sind nun die Asteroiden und eisbedeckten Kometen in unserem Sonnensystem. In den ersten hundert Millionen Jahren nach der Entstehung der Sonne kam es häufig zu Zusammenstößen zwischen den übrig gebliebenen Planetesimalen und den Planeten. Auf den Oberflächen des Mondes und des Merkurs (Abbildung 12.7 und Abbildung 12.8) sehen wir Beweise für heftigen Beschuss durch Planetesimale.
Abbildung 12.7: Die Oberfläche des Mondes ist von Kollisionen mit Trümmern von Metern bis Kilometern Durchmesser gezeichnet. Die meisten der Planetesimale wurden zu Planeten oder Monden akkretiert, aber einige dieser Objekte bleiben heute als Meteore, Asteroiden und Kometen in unserem Sonnensystem.
Abbildung 12.8: Die Oberfläche des Merkurs zeigt eine ähnliche kollisionale Kraterbildung. Die meisten Planetesimale wurden zu Planeten oder Monden akkretiert, aber einige dieser Objekte sind heute noch als Meteore, Asteroiden und Kometen in unserem Sonnensystem zu finden.
Die gleichen Arten von Kollisionen hätten sich auch auf der Erdoberfläche ereignet, aber erosive Prozesse haben alle außer den jüngsten dieser Kollisionen ausgelöscht. In Abbildung 12.9 ist ein Meteoritenkrater in Arizona abgebildet.
Abbildung 12.9: Der Meteoritenkrater in Arizona entstand vor etwa 40.000 Jahren durch den Einschlag eines Meteoriten, der einen Durchmesser von etwa 50 Metern hatte. Solche Zusammenstöße sind heute selten.
Bereits etwa 100 Millionen Jahre nach der Entstehung der Sonne hatte die Schwerkraft der Planeten und Monde in unserem Sonnensystem die meisten Planetesimale hinweggefegt. Millionen dieser Objekte befinden sich jedoch immer noch auf gravitationsmäßig stabilen Bahnen im Hauptasteroidengürtel des Sonnensystems, im trojanischen Asteroidengürtel oder jenseits von Neptun und Pluto im Kuipergürtel. Die nachstehende Skizze zeigt die Lage des größten Reservoirs an Asteroiden in unserem heutigen Sonnensystem (Abbildung 12.10).
Abbildung 12.10: Diese Skizze zeigt das größte Reservoir an Asteroiden in unserem heutigen Sonnensystem.
Die Erde ist das einzige Objekt in unserem Sonnensystem, von dem bekannt ist, dass es Leben beherbergt (Abbildung 12.11). Heute gibt es über 1 Million bekannter Pflanzen- und Tierarten auf der Erde.
Abbildung 12.11: Die Erde bildete sich zur gleichen Zeit wie die anderen Planeten in unserem Sonnensystem vor etwa 4 1⁄2 Milliarden Jahren.
Die Materialien, die zusammenkamen, um die Erde zu bilden, bestanden aus mehreren verschiedenen chemischen Elementen. Jedes Element hat eine andere Dichte, definiert als Masse pro Volumen. Die Dichte beschreibt, wie schwer ein Objekt im Vergleich zu seinem Raumbedarf ist. Nach der frühen Entstehung der Erde sanken die dichteren Elemente in das Zentrum. Die leichteren Elemente stiegen an die Oberfläche. Wahrscheinlich hast du so etwas schon einmal gesehen, wenn du Öl und Wasser in einer Flasche gemischt hast. Das Wasser ist dichter als das Öl. Wenn du beides in eine Flasche gibst, sie schüttelst und dann eine Weile stehen lässt, setzt sich das Wasser am Boden ab und das Öl steigt über das Wasser auf.
Heute besteht die Erde aus Schichten, die unterschiedliche Dichten darstellen (Abbildung 12.12). Das Zentrum der Erde wird als ihr Kern bezeichnet. Der Kern besteht aus sehr dichten Metallelementen namens Eisen und Nickel. Die äußerste Schicht der Erde ist die Erdkruste. Die Kruste besteht hauptsächlich aus leichten Elementen wie Silizium, Sauerstoff und Aluminium. Weitere Informationen über die verschiedenen Erdschichten finden Sie in der Lektion über Plattentektonik.
Abbildung 12.12: Die Erde besteht aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher Dichte. Das Zentrum der Erde ist der Kern, der am dichtesten ist. Die äußerste Schicht ist die Kruste, die die geringste Dichte aufweist. Die mittleren Schichten bilden den Erdmantel.
Entwicklung der Erdatmosphäre
Die frühe Erde war ganz anders als unsere heutige Erde. Die frühe Erde erlebte häufige Einschläge von Asteroiden und Meteoriten und hatte viel häufigere Vulkanausbrüche. In den ersten Milliarden Jahren gab es kein Leben auf der Erde, weil die Atmosphäre nicht für Leben geeignet war. Die erste Atmosphäre der Erde enthielt viel Wasserdampf, aber fast keinen Sauerstoff. Später gelangten durch häufige Vulkanausbrüche verschiedene Gase in die Luft (Abbildung 12.13). Diese Gase schufen eine neue Art von Atmosphäre für die Erde. Die Vulkanausbrüche spuckten Gase wie Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf in die Atmosphäre, aber keinen freien Sauerstoff. Ohne Sauerstoff gab es nur sehr wenig, was auf der Erde leben konnte.
Abbildung 12.13: Vulkanausbrüche fanden auf der frühen Erde fast ständig statt. Durch die Eruptionen gelangten Wasserdampf, Kohlendioxid und andere Gase in die Luft, die dazu beitrugen, die frühe Erdatmosphäre zu schaffen.
Nach und nach veränderten zwei Prozesse die Erdatmosphäre zu einer Atmosphäre, die sauerstoffreicher ist als die heutige. Zunächst bewirkte die Sonnenstrahlung, dass sich die Wasserdampfmoleküle aufspalteten. Zur Erinnerung: Ein Wassermolekül besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff, kurz H2O. Die Strahlung der Sonne spaltete einige der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der Wasserstoff entkam zurück ins Weltall. Der Sauerstoff reicherte sich in der Atmosphäre an. Der zweite Prozess, der die frühe Atmosphäre der Erde veränderte, war die Photosynthese (Abbildung 12.14). Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren entwickelte sich auf der frühen Erde eine Art von Organismen namens Cyanobakterien, die mit der Photosynthese begannen. Die Photosynthese nutzt Kohlendioxid und Sonnenenergie, um Zucker und Sauerstoff zu produzieren. Die Cyanobakterien waren sehr einfache Organismen, spielten aber eine wichtige Rolle bei der Veränderung der frühen Erdatmosphäre. Sie betrieben Photosynthese, um die Materialien zu produzieren, die sie für ihr Wachstum benötigten. Dabei gaben sie Sauerstoff an die Atmosphäre ab.
Abbildung 12.14: Zur Photosynthese fähige Bakterien tauchten erstmals vor etwa 2,4 Milliarden Jahren auf der Erde auf. Bei der Photosynthese werden aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser Zucker und Sauerstoff erzeugt. Die Photosynthese trug zur Sauerstoffversorgung der frühen Erdatmosphäre bei und half dabei, sie von einer kohlendioxidreichen in eine sauerstoffreiche Atmosphäre umzuwandeln.
Sauerstoff in der Atmosphäre ist aus zwei Hauptgründen wichtig für das Leben. Erstens bildet der Sauerstoff die Ozonschicht. Die Ozonschicht befindet sich im oberen Teil der Atmosphäre und besteht aus O3-Molekülen – einer bestimmten Art von Sauerstoffmolekülen. Sie blockiert die schädliche Strahlung der Sonne und verhindert, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Ohne Ozonschicht erreichte die intensive Sonnenstrahlung die frühe Erdoberfläche und machte Leben fast unmöglich. Zweitens ist der Sauerstoff in der Atmosphäre notwendig, damit Tiere, einschließlich der Menschen, atmen können. In der frühen Erdatmosphäre hätten keine Tiere atmen können. Es gab jedoch wahrscheinlich mehrere Arten von Bakterien, die in dieser frühen Zeit auf der Erde lebten. Sie waren anaerob, das heißt, sie brauchten keinen Sauerstoff zum Leben.
In den ersten paar Milliarden Jahren der Erdgeschichte lebten sehr einfache Zellen auf der Erde. Einige der ältesten Fossilien von komplexeren Organismen stammen von vor etwa 2 Milliarden Jahren. Man findet sie in Australien.
Neben den Veränderungen des Lebens und der Atmosphäre haben sich seit der Entstehung der Erde auch andere Veränderungen ergeben. Frühe Vulkanausbrüche auf der Erde setzten große Mengen an Wasserdampf in die Atmosphäre frei. Der Wasserdampf kondensierte langsam und kehrte in Form von Niederschlägen auf die Erdoberfläche zurück. So entstanden die Ozeane. Das Wasser begann auf der Erde zu zirkulieren, und Ereignisse wie Regenfälle und Stürme begannen die Erdoberfläche durch Verwitterung und Erosion zu verändern. Das Kapitel über das Süßwasser der Erde enthält weitere Einzelheiten über den Wasserkreislauf auf der Erde.
Die Kontinente befanden sich an ganz anderen Orten als heute. Die Wissenschaftler wissen nicht genau, wie das Land der Erde nach der ersten Entstehung des Planeten aussah. Sie wissen jedoch, dass Nordamerika und Grönland vor etwa 1,8 Milliarden Jahren eine riesige Landmasse namens Laurentia bildeten. Vor etwa 1 Milliarde Jahren befand sich die Antarktis möglicherweise in der Nähe des Äquators, auch wenn sie heute am Südpol der Erde liegt. Heute verschieben sich die Kontinente der Erde weiterhin langsam um den Globus.
Zusammenfassung der Lektion
- Die Erde entstand vor mehr als 4 Milliarden Jahren zusammen mit den anderen Planeten in unserem Sonnensystem.
- Die frühe Erde hatte keine Ozonschicht und war wahrscheinlich sehr heiß. Die frühe Erde hatte auch keinen freien Sauerstoff.
- Ohne eine Sauerstoffatmosphäre konnten nur sehr wenige Dinge auf der frühen Erde leben. Anaerobe Bakterien waren wahrscheinlich die ersten Lebewesen auf der Erde.
- Die frühe Erde hatte keine Ozeane und wurde häufig von Meteoriten und Asteroiden getroffen. Es gab auch häufige Vulkanausbrüche. Vulkanausbrüche setzten Wasserdampf frei, der schließlich abkühlte und die Ozeane bildete.
- Die Atmosphäre wurde allmählich sauerstoffreicher, als die Sonnenstrahlung Wassermoleküle spaltete und Cyanobakterien den Prozess der Photosynthese begannen. Schließlich wurde die Atmosphäre so, wie sie heute ist, reich an Sauerstoff.
- Die ersten komplexen Organismen auf der Erde entwickelten sich vor etwa 2 Milliarden Jahren.
Wiederholungsfragen
- Beschreibe, wie sich die verschiedenen Schichten der Erde in ihrer Dichte unterscheiden. Wann haben sich die Materialien, aus denen die Erde besteht, nach ihrer Dichte getrennt?
- Erkläre zwei Gründe, warum eine sauerstoffreiche Atmosphäre für das Leben auf der Erde wichtig ist.
- Wissenschaftler glauben, dass die Ozonschicht der Erde aufgrund menschlicher Aktivitäten und Luftverschmutzung schrumpft. Welche Auswirkungen könnte dies auf die Lebensformen auf der Erde haben?
- Beschreibe die Rolle der Cyanobakterien bei der Veränderung der frühen Erdatmosphäre.
- Nenne drei Möglichkeiten, wie sich die Erde heute von der Zeit ihrer Entstehung unterscheidet.
- Angenommen, die Erde wäre bei ihrer Entstehung viel kühler gewesen. Wie würde sich das Erdinnere von dem heutigen unterscheiden?
Wortschatz
Atmosphäre Das Gasgemisch, das die Erde umgibt und die Luft enthält, die wir atmen. kondensiert Abgekühlt und von Wasserdampf in flüssiges Wasser umgewandelt. Dichte Dichte bedeutet Masse pro Flächeneinheit. Moleküle Die kleinstmöglichen Mengen einer chemischen Substanz. Strahlung Energie, die von der Sonne abgegeben wird. Spezies Eine Gruppe von Lebewesen, die ähnliche Eigenschaften haben. Wasser Wasserdampf Wasser in einer Gasform.
Betrachtungspunkte
- Wie entwickelte sich das Leben auf der Erde von einfachen Bakterien zu komplexeren Organismen?
- Wann erschienen komplexe Organismen wie Fische, Reptilien und Säugetiere auf der Erde?
- Wann entstanden die wichtigsten Merkmale der Erde, die wir heute kennen?