Wikijunior Entwicklung des Lebens: Die Entstehung der Erde

Entwicklung des Lebens

Die Entstehung der Erde Die Anfänge des Lebens Vom Einzeller zum Vielzeller Das Land wird erobert Dinosaurier Eroberung der Lüfte Der Mensch kommt auf Heutiges Leben Anhang

Urknall

Bild 1: Die Entstehung des Universum.

Bild 1(links) zeigt die Theorie des Urknalls. Forscher haben mit komplizierten Instrumenten seit Jahrhunderten das Universum beobachtet, also eigentlich alles um uns herum, wie sich die Dinge zueinander verhalten und bewegen und aufeinander wirken. Mit der Theorie des Urknalls können sie diese Beobachtungen schlüssig erklären. Alles weist darauf hin, dass alles einmal von einem Punkt in Raum und Zeit ausging. Und die Theorien erklären das Verhalten über die ganze Zeit recht gut. Lediglich winzige Bruchteile der ersten Sekunde entziehen sich der Beobachtung. Den ganzen Rest hält man mit der Theorie vom Urknall für erklärbar.

So gilt heute der Urknall als verantwortlich für die Entstehung:

• der Materie (der Dinge um uns herum) und der Strahlung (Licht, Wärme)
• des Raumes (das worin die Dinge sind und sich bewegen)
• der Zeit (Wenn sich die Dinge ändern oder sie sich im Raum bewegen, brauchen sie dazu Zeit)

Während wir ein Gefühl dafür haben, was die Dinge, der Raum und die Zeit sind, jeden Tag, wenn wir morgens aus dem Haus gehen und mittags wiederkommen, so fällt es naturgemäß schwer sich vorzustellen, dass es das alles einmal nicht gab und in einem einzigen Punkt entstanden ist. Im Bild wird solch ein Punkt als Singularität bezeichnet. Das ist also ein Punkt, der kein davor und dahinter, drüber, drunter, daneben kennt. Das ist ein Zeitpunkt, der kein davor kennt.

Danach hat sich das Universum sehr schnell, also in Bruchteilen einer Sekunde sehr stark ausgedehnt. Das hat sich dann deutlich verlangsamt und die Materie und Strahlung, wie sie uns heute begegnet, hat sich herausgebildet. Gleichzeitig dehnt sich der Raum aber immer noch weiter aus.

Obwohl es schwerfällt, sich dies vorzustellen, ist dies letztlich das Ergebnis der Beobachtungen oder zumindest, wie die Forscher diese Beobachtungen verstehen. Weil es für uns wie für die Forscher nur dieses eine Universum gibt, können die nicht viel mehr tun, als zu beobachten und versuchen, die Beobachtungen mit den Mitteln der Physik zu verstehen. Sie können nicht einfach ein neues Universum hernehmen und ausprobieren, ob ihre Überlegungen richtig sind. Somit gibt es keinen anderen Zugang, keine andere Information über das Universum, als was beobachtet wird. Solange die Erklärungen der Physik keine Widersprüche aufdecken, ist das Bild ja auch ganz plausibel. Wobei es ein Anliegen dieser Forscher ist, dass jeder mit den Mitteln der Physik, der Beobachtung Dinge herausfinden kann, die uns nahelegen, dass eine Theorie nicht stimmt. Erst dann, oder wenn eine andere, einfachere Theorie besser mit den Beobachtungen übereinstimmt, wird man diese der Theorie vom Urknall vorziehen.

Aufgrund der Beobachtungen wird davon ausgegangen, dass das Universum knapp 14 Milliarden Jahre alt ist (ausgeschrieben: 14 000 000 000 Jahre). Es besteht zum großen Teil aus leerem Raum. Darin befinden sich geringe Mengen der Materie.

Bereits innerhalb der ersten paar Minuten ist beim Urknall jene Art von Materie entstanden, die uns im täglichen Leben begegnet und mit der unser Alltag maßgeblich erklärt werden kann: Atome. Daneben besteht das Universum nach heutiger Meinung zum überwiegenden Teil aus Materie oder Energie, von der wir nicht sehr viel wissen. Die Forscher nennen dies Dunkle Materie und Dunkle Energie. Diese wirken nur über die Anziehungskraft, auch Schwerkraft oder Gravitation genannt auf die uns besser bekannte Materie der Atome, welche wir durch die Strahlung sehen können, Dunkle Materie und Dunkle Energie hingegen nicht. Obwohl letztere so häufig im Universum sind, begegnen wir ihnen im Alltag nicht und sie sind zwar sehr wichtig dafür, wie sich das Universum insgesamt entwickelt, nicht aber direkt für den Ablauf des Lebens auf der Erde.

Von zentraler Wichtigkeit ist für uns unmittelbar hingegen jene Materie aus Atomen, aus denen wir auch selbst bestehen. Atome bestehen aus einem Kern, welcher hauptsächlich die Masse des jeweiligen Atoms bewirkt, also in unserem Alltagsverständnis, wie schwer das Atom ist. Ferner gibt es eine Hülle, welche aus Elektronen besteht. Der Kern ist viel kleiner als die Hülle - letztere ist zehntausend bis hunderttausend mal größer als ein Kern. Die Hülle des Kernes ist indes weitgehend leer, weil die Elektronen an sich als ausdehnungslos gelten. Allerdings sollte man sich nicht vorstellen, dass die Elektronen sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort befinden. Eher sind sie über die gesamte Hülle verteilt oder verschmiert. Einen bestimmten beobachtbaren Ort innerhalb der Hülle nehmen sie allenfalls ein, wenn sie dazu durch aufwendige Experimente manipuliert werden. Um sich eine Vorstellung von der Größe der Atomhülle zu machen: Es finden auf einem Millimeter etwa zehn Millionen Atome nebeneinander Platz. Sie sind also sehr klein und es braucht sehr viele Atome für einen Apfel oder einen Menschen.

Jedenfalls gibt es verschieden Atome, was damit zu tun hat, wie der Kern eines Atoms aufgebaut ist. Ein Kern setzt sich aus anderen Teilchen zusammen, Protonen und Neutronen genannt. Die Anzahl der Protonen entscheidet darüber, um was für ein Atom es sich handelt. Innerhalb der ersten paar Minuten des Urknalls sind jedenfalls nur leichte Atome mit wenigen Protonen im Kern entstanden. Lebewesen bestehen allerdings nicht nur aus diesen leichten Atomen. Zu diesem frühen Zeitpunkt fehlen also noch die Grundbausteine für das Leben, wie wir es kennen. Bis das uns bekannte Leben überhaupt entstehen kann, mußte also noch viel mit dem Universum passieren.

Die Materie ist nicht gleichmäßig im Raum verteilt und bewegt sich nicht gleichschnell auseinander. Aufgrund der Schwerkraft kann sich die Materie zu größeren Haufen zusammenziehen. Dabei kann so viel Materie auf engem Raum zusammenkommen, dass Sterne wie die Sonne entstehen, die selbst Licht produzieren. Manchmal entstehen nahezu gleichzeitig aus den Resten auch Planeten wie die Erde, welche dann solch einen Stern umkreisen. Es gibt sehr viele Sterne im Universum, jedenfalls mehr als Sandkörner an einem Strand.

Die Sterne selbst sind wiederum nicht gleichmäßig verteilt, sondern die meisten davon gehören zu einer Galaxie, von denen es ebenfalls sehr viele gibt, auf obigem Bild sind das die spiralförmigen Objekte. Auch Galaxien sind übrigens nicht gleichmäßig über das ganze Universum verteilt, sie konzentrieren sich entlang noch größerer Strukturen, zwischen denen es noch viel leerer ist als zwischen den Galaxien oder zwischen den Sternen einer Galaxie.

Während bei den Atomen die Elektronenhülle exakt zu einem Kern gehört, herrscht im Inneren einer Sonne eine andere Anordnung vor, welche Plasma genannt wird. Zwar sind da die Kerne voneinander getrennt, die Elektronen sind aber keinem einzelnen Kern mehr zugeordnet, sondern bewegen sich mehr oder weniger frei im Plasma umher.

Weil sich wiederum die allermeisten Atome des Universums heute in Sternen befinden, ist das Plasma die häufigste Erscheinungsform der uns bekannten Materie. In unserem persönlichen Alltag treffen wir auf Plasma am ehesten in Blitzen oder in technischen Spielzeug, welches Plasmalampe genannt wird. In solch einem Plasma gibt es kein Leben, wie wir es aus unserem Alltag kennen.

Das Leben, welches wir kennen, basiert auf jener seltenen Art von Materie, bei der die Elektronenhülle eindeutig zu einem Kern gehört. Diese Art der Anordnung tritt vor allem in Gaswolken auf oder eben auch auf Planeten. Gas ist erst einmal Materie, welche sich auf großem Raum verteilt.

Erst oder bereits, je nachdem, wie man es sieht, rund vierhundertausend Jahre nach dem Urknall hat sich an verschiedenen Stellen des Universums genug Materie gesammelt, damit die ersten Sterne entstehen konnten. Sterne sind in der Lage, Materie in andere Materie umzuwandeln, wobei letztlich auch Energie in Form von Licht, Wärme frei wird. Genauer, in oben genannten Plasma der Sonne ist es in der Mitte so heiß und die Abstände zwischen den Atomkernen können so klein werden, dass zwei Atomkerne zu einem schwereren verschmelzen können. In ihnen entstehen über Millionen oder Milliarden von Jahren auch schwerere Atome, aus denen viele Dinge aufgebaut sind, die wir heute aus dem Alltag kennen.

Allerdings sammeln sich diese schweren Atome in der Mitte eines solchen Sternes. Mit der Zeit ändert dies etwas an dem Stern und nach vielen Millionen von Jahren oder gar einigen Milliarden Jahren haben sich einige Sterne so weit verändert, dass sie explodieren. Dabei werden durch die Energie der Explosion noch schwerere Atome gebildet und die Explosion verteilt einen großen Teil eines Sternes in den Raum als Gas, Staub und als größere Brocken.

Aus diesem neu gebildeten Material zusammen mit der Materie, die bereits beim Urknall enstanden ist, können sich neue Sterne bilden und auch Planeten, Systeme wie wir sie heute kennen. Dazu gehört auch unsere Sonne und die Erde, welche also nur so entstehen konnten, weil sich zuvor andere Sterne gebildet haben und wieder explodiert sind und dabei jene Sorten von Atomen erschaffen haben, aus denen sich die Erde zusammensetzt und auch wir selbst. Daher sprechen einige Menschen auch davon, dass wir aus Sternenstaub bestehen.

Die Sonne entsteht

Bild 2: Die Sonne.

Unsere Sonne ist ungefähr 4,6 Milliarden Jahre alt. Sie ist also enstanden, als das Universum etwa 9 Milliarden Jahre alt war. Zu der Zeit hatten sich bereits Galaxien herausgebildet und die ersten Sterne waren längst bereits wieder vergangen.

Sie hat sich zu der Zeit aus Gas und Staub zusammengezogen.

Diese Materie ist zum Teil Material von anderen Sternen, die zuvor bereits wieder explodiert waren.

Die Sonne gehört zur Galaxie, die Milchstraße genannt wird. In dunklen Nächten kann man diese am Himmel erkennen. Die Sonne liegt ziemlich am Rand der Milchstraße. Für die Entwicklung des Lebens auf der Erde ist dies vermutlich sehr wichtig, weil es im Zentrum der Milchstraße viel mehr Zwischenfälle wie Sternexplosionen und Zusammenstöße gibt als so weit draußen, wo bereits der nächste Stern weit weg ist und Sterne, die explodieren können noch viel weiter.

Auch unsere Sonne ist also ein Stern. Er produziert selbst Licht und Wärme. Über lange Zeit war unverstanden, wie dies funktionieren kann. Zwar ergibt sich aus dem Zusammenziehen oder Zusammenstoßen eine Menge Energie aus der Bewegung der Teilchen vor dem Zusammenstoß, das reicht aber nicht, damit ein Körper wie die Sonne über Milliarden von Jahren selbst leuchten kann. Wie oben bereits angedeutet, ist Produktion von Licht und Wärme in der Sonne eine Kette von komplizierten Prozessen, bei denen sich eine Form von Materie in eine andere Form verwandelt, wobei letztlich Energie in Form von Licht, Wärme frei wird. Die Sonne wird das noch einige weitere Milliarden Jahre tun, ist von daher für das Leben auf der Erde also eine sehr zuverlässige Quelle von Licht und Wärme.

Die Entstehung der Erde

Bild 3: Die Erde vom Mond aus gesehen. Im unteren Bereich der Erde ist Nacht, daher ist dort die Erde nicht zu sehen. Die Sonne scheint also im Bild ungefähr von oben auf Erde und Mond. Im unteren Bereich des Bildes ist der Mond zu sehen, bei dessen Umkreisung das Bild aufgenommen wurde.

Die Erde enstand ebenfalls vor etwa 4,6 Millarden Jahren wie die anderen Planeten unseres Sonnensystems aus der gleichen Gaswolke wie die Sonne. Auch die Erde war anfangs bedingt durch das Zusammenziehen sehr heiß. Weil die Erde viel kleiner ist als die Sonne, leuchtet sie nicht selbst und kühlte schnell ab, obgleich sie auch heute noch ein recht heißes Innenleben hat, was man erkennen kann, wenn Vulkane ausbrechen und heißes Material aus dem Inneren nach außen transportieren. Tatsächlich leben wir heute auf einer dünnen und festen Kruste. Erdbeben und Vulkanausbrüche zeigen uns, wie dünn diese Kruste immer noch ist.

Anders als das Plasma der Sonne liegt auf der Erde die Materie wirklich in Form von Atomen vor. In dichteren Gaswolken und auf Planeten wie auch der Erde sind die Bedingungen an Dichte und Temperatur so, dass dort etwas stattfindet, was für unser Leben sehr wichtig ist. Dies wird Chemie genannt. Dabei verbinden sich zwei oder mehr Atome zu Molekülen. Mit relativ wenig Energieaufwand können zudem beim Zusammenstoß von Molekülen Atome ausgetauscht werden, wodurch sich die Eigenschaften der so neu entstandenen Moleküle von den vorherigen unterscheiden. Fast alles, was wir so kennen, besteht aus Molekülen oder noch größeren Objekten, die sich Festkörper nennen. Bei Molekülen oder Festkörpern bleiben die Atomkerne getrennt und ein großer Teil der Atomhülle gehört zu genau einem Atomkern. Nur wenige Elektronen der Hülle werden bei einem Molekül oder Festkörper mit eng benachbarten anderen Atomen geteilt. Dies hält die Moleküle oder Festkörper zusammen. Es wird recht wenig Energie benötigt, um diese Verbindungen zu lösen, weswegen es wichtig ist, dass die Temperatur auf einem Planeten nicht zu hoch ist. Ist die Temperatur hingegen sehr niedrig, so verbinden sich die Atome eher zu Festkörpern. Zum Beispiel kennen wir Wasser als einzelne Moleküle im Dampf, dann als Flüssigkeit, wo die Moleküle dichter zusammengerückt sind und als Eis. Eis ist ein Festkörper. Steine sind auch Festkörper. Lebewesen besteht aus vielen großen und komplizierten Molekülen. Zudem ist es für die Lebenwesen, wie wir sie kennen, sehr wichtig, dass es Wasser in flüssiger Form gibt. Davon gibt es auf unserer Erde heute reichlich. Es darf also weder zu warm sein, noch zu kalt, sonst werden die Lebewesen zerstört oder verlieren mit dem flüssigen Wasser eine zentrale Grundlage ihrer Existenz.

Bei der Erde kommt die meiste Energie von der Sonne. Der Abstand zur Sonne bestimmt vorrangig, wie warm es hier auf der Erde im Mittel ist. Andere Planeten unseres Sonnensystems haben andere Abstände zur Sonne, daher und aus einigen anderen Gründen sind dort die Temperaturen deutlich anders. Auf Merkur und Venus, die der Sonne näher sind, ist es im Vergleich zur Erde relativ warm. Zu warm jedenfalls für flüssiges Wasser. Das sind keine guten Orte für Lebewesen von der Erde.

Der Mars ist weiter von der Sonne weg als die Erde. Bekannt ist dort das Vorkommen von Eis. Für flüssiges Wasser ist es dort zu kalt. Also ist es dort zu kalt für Leben wie auf der Erde. Die Bedingungen könnten allerdings einmal anders gewesen sein. Deswegen schickt man immer mal wieder Roboter zum Mars, unter anderem um zu gucken, wie die Lage dort wirklich ist und ob es dort nicht vielleicht doch einmal Leben gab oder in einfacher Form vielleicht sogar noch gibt.

Die anderen Planeten sind noch weiter von der Erde weg, zudem sind sie ganz anders aufgebaut. Es handelt sich um sogenannte Gasriesen. Auch dort sind die Bedingungen jedenfalls so, dass es sich um keine guten Orte für Lebewesen wie auf der Erde handelt.

Der Mond

Bild 4: Erde und Mond

Als Monde bezeichnet man kleinere Körper, die Planeten umkreisen. Oft sind diese ähnlich wie die Planeten selbst aus dem gleichen Material, sind jedoch deutlich kleiner als der Planet, zu dem sie gehören, weil dieser den Hauptanteil für seine eigenen Entstehung in seiner Umgebung aufgebraucht hat. Monde können mehr oder weniger gleichzeitig mit dem Planeten entstehen oder aber sie können auch ursprünglich anderswo im Sonnensystem entstanden sein und dann später vom Planeten eingefangen werden, wenn sie dicht aneinander vorbeifliegen. Letzteres erfordert jedoch, dass sich die Bewegung zueinander verlangsamt, was zu einer schnelleren Drehung beider Körper um sich selbst führen kann oder die Energie der Bewegung wird durch kleinere, sich wieder entfernende Körper davongetragen. Die Entstehung eines Mondes ist also etwas, was nicht immer gleich ist. Weil letztlich niemand dabeigewesen ist, ist dies auch nicht einfach in Erfahrung zu bringen.

Unser Mond ist relativ zur Erde erstaunlich groß, beide umkreisen sich gegenseitig. Die Entstehung des Mondes ist bislang nicht eindeutig geklärt. Vermutungen gehen dahin, dass das System Erde-Mond bei einem Zusammenstoß zweier Planeten in der Anfangsphase des Sonnensystems entstanden ist. Oder ein größeres Objekt könnte mit der Erde zusammengestoßen sein. Dabei ist ein größeres Stück weggerissen worden, welches dann den Mond gebildet hat.

Aufgrund seiner Größe wird dem Mond jedenfalls eine wichtige Rolle für das Leben auf Erde zugeschrieben.

Das gegenseitige Umkreisen von Erde und Mond führt zu einer Stabilisierung dieses Systems und der Bewegung um die Sonne. Das ist etwa vergleichbar mit dem Stützrad beim Fahrrad - mit diesem kommt es bei kleineren Störungen nicht gleich zu einen bösen Unfall. Bei Erde und Mond führt dies zu einem gleichmäßigen Ablauf von Jahreszeiten und auch zum gleichmäßigen Tagesablauf. Das sind beides wichtige Zeitabläufe, welche sich nur sehr langsam ändern und damit für Lebewesen verläßliche Bedingungen schaffen, auf die sie sich leichter einstellen können, als auf schnelle, zufällige Änderungen, bedingt durch kleinere Störungen von außen.

Zudem ist das gegenseitige Umkreisen die Hauptursache von Ebbe und Flut, den sogenannten Gezeiten. Einen deutlich geringeren Einfluß hat demgegenüber das Umkreisen der Sonne. Auch Ebbe und Flut haben vermutlich wichtigen Einfluß auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde, vor allem wohl auch den ersten Wechsel von Lebewesen aus den Meeren auf das Land - und später bei wenigen Arten wie Walen und Delphinen wieder zurück ins Meer.

Zwar ist der Mond etwa gleich weit von der Sonne entfernt wie die Erde, allerdings ist er kleiner. Das führt dort dazu, dass Wasser verdampfen täte. Also auch kein guter Ort für Leben wie auf der Erde.

Es gibt allerdings andere Monde im Sonnensystem, wo die Bedingungen günstiger sein könnten. Das ist derzeit Gegenstand der Forschung.

Etwa wird auf einem Mond des Planeten Jupiter names Europa viel flüssiges Wasser vermutet. Hier ist es weniger die Sonne, als vielmehr die Gezeiten aufgrund der Umkreisung des Jupiters, die genug Energie liefern sollen, um unter einer äußeren Eiskruste einen Ozean von flüssigem Wasser zu ermöglichen. Dort jedenfalls könnten die Bedingungen günstig genug sein, um Voraussetzungen für Leben ähnlich dem auf der Erde zu schaffen. Einstweilen hat allerdings noch niemand nachgesehen. Möglicherweise werden aber in den kommenden Jahrzehnten Roboter zu diesem Mond geschickt, um die Vermutungen zu überprüfen.