Erdzeitalter und Entwicklung des Lebens

Die Geschichte der Erde

Die Erde ist etwa $4{,}5$ Milliarden Jahre alt, aber die ersten Lebewesen entwickelten sich etwa vor über $3{,}5$ Milliarden Jahren.

Die Frühgeschichte der Erde
Entstehung der Erde	Staubmassen kreisten um die Sonne. Vor etwa $4{,}5\, Mrd.$ Jahren verdichteten sie sich zu Planeten. Die Erde war einer davon und bildete eine glühende Masse aus flüssigem Gestein. Nach vielen Millionen Jahren kühlte die Erde ab, sodass die äussere Kruste fest wurde. Die Atmosphäre enthielt aber keinen Sauerstoff, sondern verschiedene Gase. Erst als die Temperatur unter $100 °C$ sank, füllten sich Täler und Tiefebenen mit Wasser. Es gab viel Unwetter und die Vulkane setzten Lava und Gase frei.
Entstehung von biogenen Molekülen und Zellen	Die Uratmosphäre enthielt viele Moleküle, die reduzierend wirkten. Die anorganischen Moleküle reagierten zu Zuckermolekülen, Aminosäuren, organischen Basen und kurzkettigen Fettsäuren. Diese bilden die Bausteine des genetischen Materials. Sie gelangten auf die Erdoberfläche sowie in Urmeere und reagierten zu komplexeren Molekülen wie Proteinoide oder Nucleinsäuren. Bei Wasseraufnahme durch Osmose können Proteinoide Ausstülpungen bilden. Lipide haben polare sowie unpolare Anteile und ordnen sich im Wasser zu Membranen. So entstanden Reaktionsräume, worin sich Stoffe anreichern und miteinander reagieren konnten. Solche Reaktionsräume waren Vorformen von Zellen, die sich durch Knospung vermehren konnten.
Vererbung, Wachstum und Reproduktion	Es wird angenommen, dass zuerst die Ribonucleinsäure (RNA) als genetisches Material diente. Sie kann sich verdoppeln und wie ein Enzym katalytisch wirken. Es entstanden bestimmte Proteine durch solche katalytisch wirkende RNA-Moleküle. So kam es zu den ersten Proteinbiosynthesen. Die entstandenen Proteine wiederum könnten die Synthese längerer RNA-Moleküle katalysiert haben. Die Reaktionen von genetischem Material und Proteinen führten zu einem Kreisprozess. Solche Hyperzyklen könnten der Beginn eines Stoffwechsels gewesen sein, womit die Bedingungen für Wachstum und Reproduktion gegeben waren. Diese Urzellen konkurrierten miteinander um biogene Moleküle für ihren Energie- und Baustoffwechsel. Dadurch entwickelte sich die prokaryotische Zelle.
Entstehung des Lebens	Aus vorhandenen Molekülen entstanden die ersten Zellen. Diese nutzten Moleküle für ihren Energie- und Baustoffwechsel. Dieser Übergang von chemischer zu biologischer Evolution ermöglichte die Entstehung von Lebewesen.

Biologie; Mechanismen und Prozesse der Evolution; 1. Gymi; Erdzeitalter und Entwicklung des Lebens

Das Erdzeitalter
Präkambrium (vor $4500 \,Mio.$ Jahren)	Bakterien und Vielzeller (Ediacara-Fauna) leben im Meer. Auf dem Land leben noch keine Lebewesen. Für höhere Klassen: Die Atmosphäre enthält viel Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, aber keinen Sauerstoff. Der UV-Anteil im Sonnenlicht ist so hoch, dass er Zellen an Land zerstören würde. Deshalb können keine Lebewesen an Land überleben. Zuerst leben einfache prokaryotische Einzeller im Wasser, die abiogen entstandene Moleküle wie Glucose, Aminosäuren und kurzkettige Fettsäuren aufnehmen und so ihren Energie- und Baustoffwechsel betreiben. Das Wasser über ihnen bietet Schutz vor der UV-Strahlung. Später entwickeln und vermehren sich Bakterien, die zu einer Verknappung der abiogen entstandenen Moleküle führen. Somit haben sogenannte Cyanobakterien einen Selektionsvorteil, die mit Hilfe des Sonnenlichts Glucose aus Kohlenstoffdioxid und Wasser synthetisieren können. Durch diese oxygene Fotosynthese nimmt die Biomasse zu. Sauerstoff gelangt ins Wasser und in die Atmosphäre. Dadurch kann der aerobe Abbau von organischen Molekülen stattfinden. Später können einige Prokaryoten Nahrung durch das Einstülpen der Membran aufnehmen und es entsteht eine Zelle mit Mitochondrien. Darin bilden sich auch endoplasmatisches Retikulum (ER) und eine Kernhülle. Somit entsteht eine eukaryotische Zelle, die den Ausgangspunkt für die heutigen Zellen bilden. Ausserdem nehmen die Vorläufer von Pflanzen einen zusätzlichen Prokaryoten auf, der Fotosynthese betreiben kann. Aus diesen Prokaryoten entwickeln sich später die Chloroplasten.
Kambrium (vor $570 \,Mio.$ Jahren)	Weichtiere, Stachelhäuter, Trilobiten und andere Tiere leben im Meer. Leben auf dem Land ist immer noch unmöglich. 80% der Arten sterben am Ende des Kambriums aus.
Ordovizium (vor $510 \,Mio.$ Jahren)	Weichtiere wie Muscheln, Schnecken, Kopffüsser werden artenreicher, und Korallenriffe entstehen. Viele Trilobiten sterben aus.
Silur (vor $435 \,Mio.$ Jahren)	Erste Farne wachsen an Land. Das Land wird attraktiver. Es entwickeln sich Tausendfüsser und Skorpione, die auf dem Land leben können. Für höhere Klassen: Das Land kann erst dank des steigenden Sauerstoffgehalts der Atmosphäre besiedelt werden, weil sich dadurch vermehrt Ozon bilden kann. Ozon absorbiert den zellschädigenden UV-Anteil des Sonnenlichts. Deshalb können Lebewesen auf dem Land überleben, ohne auszutrocknen. Das Leben an Land bietet viel Licht, aber die Lebewesen müssen angepasst sein. Sie brauchen Festigungsgewebe und Schutz vor Austrocknung.
Devon (vor $410 \,Mio.$ Jahren)	Erste Amphibien atmen mit Lungen bzw. Kiemen. Es leben immer mehr Insektenarten und Wirbeltiere an Land.
Karbon (vor $355 \,Mio.$ Jahren)	Baumförmige Farne und Schachtelhalme wachsen und grosse Insekten fliegen durch die Luft.
Perm (vor $290\, Mio.$ Jahren)	Die ersten Reptilien entstehen und es gibt viele Schmetterlinge, Käfer und andere Insekten. Samenpflanzen treten immer mehr auf. Am Ende des Perms sterben viele Arten aus.
Trias (vor $250 \,Mio.$ Jahren)	Dinosaurier, Krokodile, Echsen und weitere Reptilien beherrschen das Land und Ginkgo- sowie Nadelbäume verbreiten sich. Am Ende der Trias sterben viele Wirbeltiere aus.
Jura (vor $205 \,Mio.$ Jahren)	Die ersten Vögel leben, Fischsaurier jagen Ammoniten und Belemiten. Nadelbäume und Palmfarnen dominieren die Vegetation.
Kreide (vor $135 \,Mio.$ Jahren)	Die ersten nachtaktiven Säugetiere entwickeln sich und die Laubbäume werden immer mehr. Fast alle Dinosaurier ausser Vögel sterben aus (Aussterben der Dinosaurier).
Tertiär (vor $65 \,Mio.$ Jahren)	Blüten werden immer mehr von Insekten bestäubt (Insektenbestäubung) und es gibt grosse Laubwälder. Es existieren fast alle heutigen Säugetier- und Vogelarten.
Quartär (vor $1{,}6 \,Mio.$ Jahren)	Der Mensch breitet sich aus und hat immer mehr Einfluss auf die Umwelt. Eiszeiten und Warmzeiten wechseln sich ab.

Biologie; Mechanismen und Prozesse der Evolution; 1. Gymi; Erdzeitalter und Entwicklung des Lebens

Vom Wasser ans Land

Das Leben an Land war am Anfang nicht möglich, weil die Atmosphäre keinen Sauerstoff enthielt und die UV-Strahlen jegliche Zellen zerstört hätten. Erst später gelangte Sauerstoff in die Atmosphäre, wodurch sich Ozon bilden konnte, der den zellschädigenden UV-Anteil absorbieren konnte. Als das Leben an Land möglich war, erforderte es entsprechende Angepasstheiten.

Erste Pflanzen an Land	Pflanzen konnten sich zuerst nur im Meer entwickeln, weil sie an Land verdunsten würden und keine druckstabilen Sprossen hatten. Die ersten Pflanzen an Land waren Moose mit einfachem Festigungsgewebe, weil sie längere Phasen der Austrocknung überleben konnten. Erst später entwickelten sich Pflanzen wie Farne und Bärlappgewächse mit stabilen Festigungsgeweben und Leitungsbahnen im Stängel, sodass sie Wasser aufnehmen konnten. Später entwickelten sich Samenpflanzen wie Ginkgobäume und Palmfarne, die von Wind oder Tieren bestäubt wurden. Die Wachsschichten auf ihren Sprossen und Blättern boten Schutz vor Verdunstung, sodass Samenpflanzen auch an trockenen Standorten überleben konnten.
Erste Tiere an Land	Vermutlich waren die ersten Tiere an Land Ringelwürmer, die keinen Schutz gegen Verdunstung hatten und deshalb am Ufer im feuchten Boden leben mussten. Später konnten Gliederfüsser wie Tausendfüsser, Krebse, Spinnen etc. das trockene Land besiedeln, weil sie ein hartes Aussenskelett besassen, die sie vor Verdunstung schützte. Vor $325 \,Mio.$ Jahren lebten die ersten Insekten mit Flügeln und die ersten Wirbeltiere an Land. Ichthyostega war ein Wirbeltier, welches Merkmale von Fischen und Lurchen aufwies. Später entwickelten sich Lurche (Amphibien). Sie waren ans Wasser gebunden, weil sich ihre Larven im Wasser entwickelten. Erst Reptilien konnten vollständig an Land überleben, da sie über eine wasserundurchlässige, trockene Schuppenhaut verfügten. Ihre Eier hatten eine lederartige Schale, die sie vor Austrocknung schützte.
Zeit der Saurier	Dinosaurier waren Wirbeltiere, die über 150 Mio. Jahre lang die Welt beherrschten. Es gab Flugsaurier in der Luft, Fischsaurier im Meer und Dinosaurier an Land. An Land lebten riesige Pflanzenfresser wie Diplodocus (30 m lang, 10 t schwer). Sie konnten aber Pflanzen nur grob zerkleinern und hatten Magensteine im Magen, die wahrscheinlich ihre Nahrung zerkleinerten. Es gab auch Fleischfresser wie der Tyrannosaurus, der auf zwei Beinen jagte und mit seinen nach vorn gerichteten Augen und gutem Riechsinn Beutetiere aufspüren konnte. Im Wasser lebten Fischsaurier wie der Ichthyosaurus, der Merkmale von Raubfischen aufwies. Er hatte eine ähnliche Körperform wie ein Delfin. Seine Jungen kamen lebend zur Welt, weil sie bereits im Mutterleib aus dem Ei schlüpften. In der Luft konnten einige Saurier wie z.B. das Pteranodon fliegen, weil sie Flügel hatten. Mit Hilfe ihrer langen Armknochen spannten ihre Flughaut auf.
Entwicklung von Säugetieren	Die typischen Merkmale von Säugetieren sind ihr Fell und ihre Milchdrüsen. Ausserdem bringen die meisten ihre Jungen lebend zur Welt. Die Säugetiere haben sich vor $200 \,Mio.$ Jahren aus bestimmten Sauriern entwickelt. Aber erst nach dem Aussterben von Sauriern entstanden plötzlich viele neue Säugetierarten, weil somit die grösste Konkurrenz weg war. Die ersten Säugetiere hatten ein Insektenfressergebiss und jagten Insekten in der Nacht. Sie hatten ein Fell, welches sie vor Wärmeverlust schützte. Sie waren auch gleichwarm und konnten sich daher auch in kühlen Nächten schnell bewegen. Ihre wechselwarme Beute konnte das aber nicht. Die ersten Säugetiere legten vermutlich Eier. Erst später entwickelten sich Säugetiere, die lebendgebärend waren und ihre winzigen Jungen in ihrem Beutel mit Milchzitzen säugten. Solche Beuteltiere mit einem Beutel gibt es heute noch in Australien und Neuseeland. In anderen Kontinenten gibt es moderne Säugetiere, die weiter entwickelte Jungen zur Welt bringen und ihre Jungen ohne Beutel mit Milchzitzen säugen.
Vom Land ins Wasser	Untersuchungen zeigen, dass Wale eine Verwandtschaft mit Paarhufern (wie Wildschwein und Rothirsch) haben. Insbesondere mit Flusspferden haben sie eine enge Verwandtschaft. Ein Vorfahr war Pakicetus. Sein Sprunggelenk hatte eine ähnliche Struktur wie die heutigen Paarhufer. Ein weiterer Vorfahr war der Ambulocetus, der sich gut im Wasser bewegen konnte und wasserundurchlässige Nasenöffnungen hatte. Der Vorfahr Dorudon, dessen Vorderextremitäten flossenartig ausgebildet waren, war sehr gut an das Schwimmen angepasst. Weil seine Hinterbeine sehr klein waren und die Knochen keine Verbindung mehr zum Becken hatten, konnten diese seinen schweren Körper nicht mehr tragen. Er konnte sich nicht mehr an Land fortbewegen. Die heutigen Wale werden unterteilt in Zahn- und Bartwalen. Zahnwale haben Zähne und ernähren sich räuberisch. Bartwale verfügen über lange Barten, womit sie Kleintiere aus dem Wasser filtern. Zu den Bartwalen zählt z.B. der Blauwal. Es befinden sich verkrümmte Reste von Hinterextremitäten unterhalb seiner Wirbelsäule.