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«Modul 8 Entstehung und Entwicklung des Lebens Begleittext für Lehrkräfte Erhard Lipkow, Hanno Kinkel, Ulf Neubert und Frank Siemer Dieser Text ...»

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Entstehung und Entwicklung des Lebens

Begleittext

Modul 8

Entstehung und Entwicklung

des Lebens

Begleittext für Lehrkräfte

Erhard Lipkow, Hanno Kinkel, Ulf Neubert und Frank Siemer

Dieser Text steht zusammen mit den Texten der 10 weiteren Module des Projektes „Forschungsdialog:

System Erde“ auf der CD-ROM „System Erde“ als Hypertext bzw. die Materialien als pdf-Dateien, Videos,

Interaktionen, Animation usw. über ein komfortables Navigationssystem mit Suchfunktion zur Verfügung.

Alle kursiven Begriffe werden im Glossar erklärt und alle unterstrichenen Begriffe sind zu Positionen verlinkt, die weitere Informationen liefern.

Mit der CD-ROM können auch eigene Materialien erstellt werden. Außerdem kann aus der CD-ROM eine Schülerversion, die für das selbst organisierte Lernen vorgesehen ist - und keine didaktischen Informationen enthält - erstellt werden.

Modul 8 • Begleittext Information Seite 1 Entstehung und Entwicklung des Lebens Begleittext Kontakt Ulrike Gessener Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften an der Universität Kiel Olshausenstr. 62 24098 Kiel Tel: ++49 (0431) 880-3121 E-Mail: gessner@ipn.uni-kiel.de http://systemerde.ipn.uni-kiel.de

Autoren dieses Moduls:

Dr. Erhard Lipkow, Dr. Hanno Kinkel, Ulf Neubert, Dr. Frank Siemer

Geowissenschaftliche Beratung:

Dr. H. Kinkel (Universität Kiel)

Multimediaumsetzung, Grafik und Layout:

CD-ROM, Rahmenlayout, Grafiken: MMCD GmbH interactive in science (Düsseldorf) Texte: Päivi Taskinen (IPN)

Herausgeber:

Prof. Dr. Horst Bayrhuber, Dr. Sylke Hlawatsch Modul 8 • Begleittext Information Seite 2 Entstehung und Entwicklung des Lebens

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Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Zielsetzung und Begründung

2 Sachinformation

2.1 Überblick

2.2 Vertiefende Darstellung

2.2.1 Theorien zur Entstehung des Lebens

2.2.2 Weiterentwicklung biotischer Moleküle

2.2.2 Altersbestimmung von Gesteinsserien

2.2.3 Fauna und Flora im Karbon

2.2.4 Entstehung von Kohle im Karbon

2.2.5 Wechselwirkungen zwischen den Sphären

3 Didaktische Information

3.1 Lernziele

3.2 Hinweise zu den Lernvoraussetzungen

3.3 Hinweise zu horizontalen und vertikalen Verknüpfungen

3.4 Erläuterung und Nutzungshinweise zu den Materialien

4 Vorschläge für den Unterrichtsverlauf

5 Literatur

6 Unterrichtsmaterialien

Anhang:

Unterrichtsmaterialien Baustein 1: Arbeitsweise eines Naturwissenschaftlers: Louis PASTEUR Baustein 2: Simulationsexperimente zur Entstehung präbiotischer Moleküle Baustein 3: Hypothesen zur Entstehung von Leben Baustein 4: Gruppenpuzzle: Entwicklung der Biosphäre Baustein 5: Kohlebildung und das Klima im Karbon Baustein 6: Die Grube Messel - eine Goldgrube für Paläontolog(inn)en

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1 Allgemeine Zielsetzung und Begründung Das Modul „Entstehung und Entwicklung des Lebens“ gibt einen Überblick über aktuelle Theorien zur Entstehung des Lebens und über die Entwicklung der Biosphäre in der Erdgeschichte. Dabei werden die jeweiligen Wechselbeziehungen zwischen den abiotischen Sphären Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und der Biosphäre aufgezeigt.

Die Schüler/innen vollziehen anhand historischer Versuche den Erkenntnisweg zur Widerlegung der „Urzeugung“ sowie exemplarisch die naturwissenschaftliche Arbeitsweise nach. Sie erkennen, dass aus lebloser Materie durch Einwirkung von Energie biotische Moleküle entstanden sind und erfahren wie die Entstehung des Lebens vor ca. 3,8 Milliarden Jahren stattgefunden haben könnte. Sie lernen aktuelle Theorien zur Entstehung des Lebens kennen und erfassen die Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung bei der Erforschung weit zurückliegender Prozesse. Die Entwicklung der Biosphäre wird weitgehend eigenständig erarbeitet. Vertiefend werden Wechselbeziehungen zwischen den Sphären im Verlauf der Erdgeschichte dargestellt. Die Lernenden sollen erkennen, dass die heute vorliegende Deutung über die Entwicklung der Biosphäre ein Ergebnis der interdisziplinären geowissenschaftlichen Arbeitsweise ist.

Inhaltlich stehen zwei Fragen im Mittelpunkt dieses Moduls:

1. Welche Bedingungen ermöglichten die Entstehung und Entwicklung des Lebens?

2. Welche Beziehungen bestehen zwischen der Biosphäre und den anderen Teilsystemen der Erde?

Kooperative und schülerorientierte Arbeitsformen bilden den methodischen Schwerpunkt des Moduls. Die Genese des Wissens erfolgt über die Anwendung naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsmethoden. Die Materialien sind geeignet, die Entstehung und Entwicklung des Lebens in einem systemischen Zusammenhang zu betrachten.

2 Sachinformation Nach dem heutigen Kenntnisstand ist die Erde der einzige Planet in unserem Sonnensystem, auf dem es Leben gibt. Die vor ca. 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde existierenden Verhältnisse von Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre waren notwendige Grundvoraussetzungen für die Entstehung von Leben, also auch der Biosphäre. Ohne im einzelnen zu wissen, wie und wo die Entstehung des Lebens stattgefunden hat, gibt es mehrere wissenschaftlich fundierte Hypothesen zur Entstehung des Lebens.





Zwischen der Entwicklung erster prokaryotischer Lebewesen und der Vielfalt der Biosphäre wie wir sie heute kennen, liegt ein stetiger Evolutionsprozess von rund 3,8 Milliarden Jahren. Auch die Erdoberfläche würde heute ganz anders aussehen, wenn es keine Lebewesen auf der Erde gäbe. Die Biosphäre war und ist noch immer eine prägende Kraft auf die übrigen Sphären. Die Sachinformationen sind in zwei Stufen gegliedert,

2.1 Überblick Entstehung des Lebens Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren hat sich die Erde als selbständiger Planet gebildet. Ungefähr 800 Millionen Jahre danach war die Erde so weit abgekühlt, dass sich Vorstufen des Lebens bilden konnten. Vor ca. 3,8 Milliarden Jahren entstanden unter den Bedingungen der Uratmosphäre durch Einwirkung von Energie aus anorganischer Materie organische Moleküle. Diese Moleküle waren Bausteine für die Synthese noch größe

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rer Moleküle. Im Laufe relativ kurzer Zeit, vielleicht weniger Millionen Jahre, erwarben diese Moleküle die Fähigkeit sich zu vervielfältigen.

Bei diesen Vorstufen der Lebewesen gab es schon einen Wettbewerb um begrenzte Ressourcen: Selektion setzte ein. Gut angepasste Varianten hatten bessere Überlebenschancen und konnten sich nach Entwicklung der Vermehrungsfähigkeit auch häufiger in die nächste Generation einbringen. Wahrscheinlich spielte auch der Zufall eine Rolle, weshalb aus der Vielzahl von vorliegenden Molekülen nur bestimmte als Bausteine für die Lebewesen ausgewählt wurden. So gibt es z. B. keinen funktionalen Grund dafür, dass heute in allen Lebewesen nur linksdrehende L-Aminosäuren vorkommen und nicht die genau spiegelbildlich aufgebauten D-Aminosäuren, die ursprünglich vermutlich genauso häufig vorkamen (HAZEN 2001).

Wie bei fast allen Prozessen, die in der frühen Phase der Erdgeschichte stattgefunden haben, so ist es bis heute auch nicht möglich, den genauen Ablauf der Entstehung des Lebens zu rekonstruieren. Zum einen liegen aus der Anfangsphase keine Zeugnisse vor, denn von den ersten ursprünglichen Lebewesen gibt es keine Fossilien. Bis auf wenige Ausnahmen liegen Fossilien erst von Lebewesen vor, die Hartteile besitzen (s. Abb. 1).

Zum anderen ist es schwierig, Analogieschlüsse von der heutigen Erdoberfläche auf die vor ca. 3,8 Milliarden Jahren existierende zu ziehen. Zur Zeit der Lebensentstehung herrschten auf der Erdoberfläche andere Bedingungen als heute. So gab es z. B. keinen freien SauerAbbildung 1: Fossile Belemniten, Fundort Helgoland.

stoff, der heute Bedingung für fast sämtliches Leben auf Viele Belemnitenarten sind Leitfossilien für die obere der Erde ist. Deshalb enthalten alle Hypothesen zur Ent- Kreidezeit. (Foto: S. HLAWATSCH, IPN) stehung des Lebens viele Unwägbarkeiten.

Sicher ist, dass während der frühen chemischen Evolution kleine kohlenstoffhaltige Moleküle entstanden sind. Unklar ist der „Ort“ des Geschehens. In Frage kommen die „Ursuppe“ im Urozean, Gesteine, das Weltall, das Eis oder eine Kombination solcher Orte (Theorien zur Entstehung des Lebens). In den nächsten Schritten sind Molekülkomplexe entstanden, welche irgendwann die Fähigkeit zur Vermehrung erlangten.

Innerhalb weniger Millionen Jahre sind daraus wahrscheinlich schon Protolebewesen mit einer Hüllmembran aus Fettsäuren hervorgegangen. Dieser Entwicklungsschritt umfasst einen relativ kurzen geologischen Zeitraum. Verhältnismäßig früh haben sich aus den mikroskopisch kleinen, einfach aufgebauten prokaryotischen Einzellern die Archaea und die Eubakteria sowie erste eukaryotische Einzeller mit echtem Zellkern, aus denen später die vielzelligen Lebewesen hervorgingen, entwickelt. So genannte Stromatolithen - durch Prokaryoten gebildete kalkhaltige Sedimentstrukturen - zählen zu den ältesten bisher gefundenen Fossilien.

Entwicklung des Lebens

Die Weiterentwicklung von den ersten selbständig lebenden Zellen zu vielzelligen Lebewesen mit Hartteilen hat fast zwei Milliarden Jahre gedauert. Erst gegen Ende des Präkambriums (so genannte „Ediacara Fauna“) und verstärkt zu Beginn des Kambriums vor 542 Millionen Jahren hat eine sprunghafte Entwicklung von Vielzellern begonnen. Aus dieser Zeit liegen Fossilien als versteinerte Zeugen verschiedener Gruppen von Pflanzen und Tieren vor. Alle diese Organismen haben im Wasser gelebt.

Die Entwicklung neuer Arten im Kambrium erfolgte nach einem großen Aussterbeereignis (Massenaussterben) der bis dahin existierenden Lebewesen („Ediacara Fauna“). Das Hervorgehen zahlreicher neuer Arten aus wenigen gemeinsamen Vorfahren innerhalb relativ kurzer Zeit wird als adaptive Radiation bezeichnet.

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Adaptive Radiationen gehen stets mit signifikanten Umweltänderungen einher, da sich durch veränderte Umweltbedingungen neue Möglichkeiten und Probleme für die vorhandenen Lebewesen ergeben. Arten, die nicht in der Lage sind auf die veränderte Situation zu reagieren, sterben aus. Dadurch ergeben sich für überlebende Arten neue ökologische Nischen, die im Zuge einer Artaufspaltung neu besiedelt werden.

Massenaussterben und adaptive Radiationen werden von der Wissenschaft zur Einteilung der Geschichte der Biosphäre in einzelne geologische Erdzeitalter und Perioden genutzt, da sich durch diese Ereignisse das Bild der Erde jeweils grundlegend veränderte. Dennoch finden Evolutionsprozesse ständig und auch außerhalb der deutlich sichtbaren Umbrüche statt. Alle heute existierenden Lebewesen stammen von Vorformen ab, die eine Evolution durchgemacht haben. Es haben also beständige Selektionsprozesse zu der heutigen Biosphäre geführt. Nach den erstmals von STENO beschriebenen Prinzipien des „Aktualismus“ und „Uniformismus“ lassen sich die unterschiedlichen Erdschichten von Ablagerungsgesteinen (Sedimentgesteinen) als ein Ergebnis der kontinuierlichen Ablagerung von Sedimenten deuten.

Die darin enthaltenen Fossilien geben nicht nur Aufschluss über das Artenspektrum der Biosphäre zu einer bestimmten Zeit. Anhand der Verteilung von Fossilien lassen sich auch Rückschlüsse auf das Klima in vergangenen geologischen Perioden ziehen. Darüber hinaus lassen sich Fossilien zur relativen Altersbestimmung von Gesteinsschichten nutzen (s. Abb. 11). Dabei nutzt man das Vorkommen so genannter Leitfossilien innerhalb der verschiedenen Schichten. Die Fossilien jeder Schicht sind eine lokale Stichprobe der Lebewesen zur Zeit der Gesteinsentstehung (Sedimentation). Einige Arten kommen nur in bestimmten Gesteinsschichten, dafür aber dort massenhaft vor. Sie sind charakteristisch für ein bestimmtes Erdzeitalter.

Durch den Vergleich dieser Leitfossilien an unterschiedlichen Fundorten erhalten Wissenschaftler/innen eine Zeitskala mit einer festen Abfolge geologischer Perioden. Durch die Position verschiedener fossilisierter Arten in den Schichtenfolgen kann das relative Alter auch von räumlich getrennten Schichten weltweit ermittelt werden. Auf den Kenntnissen über Sedimente verschiedener Zeitepochen mit darin enthaltenen Fossilien konnte Charles DARWIN seine Evolutionstheorie stützen.

Anhand dieser versteinerten Zeugnisse unterteilen Geowissenschaftler/innen die Geschichte der Biosphäre in vier Erdzeitalter (s. Abb. 2). Das Präkambrium (3,8 Milliarden Jahre vor heute - 542 Millionen Jahre vor heute), das Paläozoikum (Erdaltertum, 542 - 251), das Mesozoikum (Erdmittelalter, 251 - 65) und das Känozoikum (Erdneuzeit, 65 - heute). Die Erdzeitalter werden wiederum in verschiedene geologische Perioden unterteilt. Das Präkambrium besteht aus Archaikum und Proterozoikum. Das Paläozoikum enthält die Perioden Kambrium, Ordovizium, Silur, Devon, Karbon und Perm. Das Mesozoikum beinhaltet die Perioden Trias, Jura und Kreide und das Känozoikum wird unterteilt in die Perioden Paläogen und Neogen. Das Paläogen beinhaltet die Serien Paläozän, Eozän und Oligozän, das Neogen die Serien Miozän, Pliozän, Pleistozän und Holozän.

Die geologischen Zeitalter und Perioden waren nicht gleich lang. So dauerte z. B. das Devon mehr als doppelt so lang wie das Silur. Dennoch sind diese Einteilungen nicht willkürlich gesetzt, sondern anhand deutlicher Veränderungen der in den Gesteinsschichten enthaltenen Fossilienarten. So repräsentiert jedes Erdzeitalter und - etwas weniger ausgeprägt - auch jede Periode eine andere Phase in der Geschichte der Biosphäre. Beispielsweise markiert der Übergang zwischen Silur und Devon das Auftreten erster sporentragender Gefäßpflanzen auf dem Festland. Das Mesozoikum war das Zeitalter der Saurier und seit Beginn des Känozoikums dominieren die Blütenpflanzen und Säugetiere.

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Abbildung 2: Übersicht über die Erdzeitalter und geologische Perioden. Die Farbgebung der Erdzeitalter und Perioden entspricht den Festlegungen der INTERNATIONAL COMMISSION ON STRATIGRAPHY.

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