Erdgeschichte 2017 Joachim Reitner Jan Peter Duda Alex Gehler Programm:

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1 Erdgeschichte 2017 Joachim Reitner Jan Peter Duda Alex Gehler Programm: Hadean Archaean Neoproterozoic Phanerozoic 1. Hadean World-Origin (19.4. ) 2. Archaean World (26.4. JPD) 3. Great Oxidation Event Proterozoic world ( ) 4. Cryogenian Snowball Earth (10.5. JPD) 5. Garden of Ediacara (17.5. ) 6. Cambrian Explosion (24.5. JPD) Klausur 7. Paleozoic Extinction Events (31.5. JPD) 8. Major evolutionary steps & terrestial environments (07.6. JPD) 9. Triassic/Jurassic Event, Mesozoic Greenhouse (14.6. JPD) 10. K/T boundary & Tertiary and Quaternary events(21.6. AG) 11. Humans (28.6. JPD) Login: downloads; password: kwlehre resource/archeanlandscape.jpeg Bullet-Magnet

2 Phanerozoikum (0,544 0 Gy) Zeitalter der Erde Moderne Organismen Baupläne, enzymatisch gesteuerte Biomineralisation Proterozoikum (2,5 0,544 Gy) Der Zeitabschnitt mit einer der heutigen ähnlichen Plattentektonik, aber noch ohne hartteiltragende Fossilien. Beginn der aeroben Welt Archaikum (4,0 2,5 Gy) Der Zeitabschnitt mit einer der heutigen noch sehr unähnlichen Plattentektonik, dünnerer Kruste und höheren Recycling Raten. Anaerobe Welt Hadaikum (4,53 4,0 Gy) Der Zeitabschnitt ständigen Wiederaufschmelzens der Erdkruste mit extrem seltenen bis heute erhaltenen Gesteinen/Mineralen. 2

3 Hadean World Origin Entstehung des Sonnensystems 4,566 0,002 Entstehung der Erde 4,530 0, Hf / 182 W Kleine et al. Nature Bullet-Magnet Joachim Reitner Göttingen

4 Die ältesten Gesteine Mineralien

5 Die ältesten Gesteine Mineralien Acasta-Gneis-Komplex, 4,03 Ga Wilde, et al 2001 The evolved chemistry, high δ 18 O value (8.5 to 9.5 ) and micro-inclusions of SiO2 are consistent with growth from a granitic melt!! Magmatic oxygen isotope ratios in this range point toward the involvement of supracrustal material that has undergone low temperature interaction with a liquid hydrosphere. This zircon thus represents the earliest evidence for continental crust and oceans on the Earth. 4,404 +/-8 billion-year-old zircon crystal metamorphosed sandstone conglomerate in the Jack Hills of the Narryer Gneiss Terrane of Western Australia SHRIMP 207Pb/206Pb 2016

6 Der Anfang kosmische Katastrophen Supernovae SN1987A Supernova vom Typ II , Großen Magellanschen Wolke Lichtjahre haegar.fh swf.de NASA Die extrem stark erhitzten Gasschichten, die neutronenreiches Material aus den äußeren Bereichen des Zentralgebiets, erbrüten im so genannten r Prozess (r : rapid ) schwere Elemente jenseits des Eisens, z.b. Kupfer, Germanium, Silber, Gold oder Uran. Etwa die Hälfte der auf Planeten vorhandenen Elemente jenseits des Eisens stammen aus solchen Supernova Explosionen, während die andere Hälfte im s Prozess (s: slow ) von masseärmeren Sternen erbrütet und in deren Riesenphase ins Weltall abgegeben wurde

7 Der Anfang Kohlenstoff C Roter Riese Beteigeuze (Orion) Hubble/Nasa Roter Riesen, haben fast allen Wasserstoff verbraucht und das Heliumbrennen begonnen. Ein solcher Stern rußt: Kohlenstoff wird in ihm gebildet, und durch den Sonnenwind freigesetzt.

8 H 2 O im Weltraum NGC 1333 IRAS4B, einem jungen Stern, der sich erst vor ungefähr bis Jahren bildete, gibt es schwere Wassermoleküle (H 2 18 O). Jorgensen & van Dishoek 2010 The Astrophysical Journ 10 MPI Extraterrestrische Physik Garching

9 Sagittarius B2 : Die Heimat der großen Moleküle Lichtjahre, nahe dem galaktischen Zentrum Large Molecule Heimat Glycolaldehyd stellt den elementarsten Einfachzucker dar! Zusammen mit Propenal formt es Ribose, einen essenziellen Bestandteil der RNA. (Hollis et al 2000, The Astrophysical Journal, Belloch et al 2008) Radioteleskop Bild IRAM Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) Belloch et al 2008 In der Large Molecule Heimat Wolke wurden: Alkohole, Formaldehyd, Ameisensäure, Essigsäure, Azeton, Ethylenglykol, Glycoaldehyd und Amnioacetonitril gefunden Amnioacetoniril ist eine Vorläuferverbindung von Glyzin!

10 Der Anfang Organische Moleküle im Weltraum 140 org chem Verbindungen! Ehrenfreund P. & Menten, K. (2000)

11 Entstehung von Kometen Eis Aus: Greenberg 2001 Interstellares Eis bildet sich, wenn H 2 O auf Staubkeimen ausfriert, die durch kalte Dunkelmaterie Wolken driften, vergleichbar mit einem Hagelkorn. In der wachsenden Eisschicht werden organische Moleküle wie Methanol und PAH eingeschlossen. Bei einer Keimgröße von rund 0,1µm spaltet UV Licht diese Moleküle und bildet u.a. komplexe PAH, wie Chinone, die sich im freien Raum nicht bilden würden.

12 Protoplanetare Scheiben Orion Nebel Hubble Durchmesser Sonnensystem ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser (ESO) Die protoplanetaren Scheibe eines Braunen Zwergs ISO Oph 102 beinhaltet mm kleine "Saatkörner" künftiger Gesteinsplaneten

13 Protoplanetare Scheiben Akkretion Entstehung der Erde durch Akkretion von kleinen chondritischen Körpern Murchison Chondrid (CM) 2013

14 Magma ocean, with mafic crust: 4.5 Ga

15 Entstehung des Mondes durch einen Giga Impact vor ca. 4,53 Ga Theia Entstehung der heutigen Erde 4,530 0, Hf / 182 W Gaia Theia: Tochter von Gaia und Uranos Eine der 12 Titanen Mond Göttin livescience.com Credit: NASA/GSFC

16 Rahmenbedingungen der Habitabilität: Faint Young Sun Paradox (Sagan & Mullen 1972) Es war zu warm! (Feulner, 2012) Faint Young Sun Paradox

17 Das Problem des flüssigen Wassers vor ca. 4,4 Milliarden Jahren Trotz der schwachen Strahlungskraft der jungen Sonne: Faint Young Sun Paradox Es war zu warm! Vielleicht. Anreicherung des vulkanischen Klimagases Carbonylsulfid COS in der archaischen Atmosphäre (belegt durch hohe 33 S Gehalte) neben CO2 und CH4 Mit dem Great Oxidation Event GOE (Photosynthese) und AOM (anaerobe Methanoxidation) werden die Klimagase CO2 und CH4 reduziert Es kommt zu ersten Eiszeiten

18 Hadaisch archaische Wasserwelt! KK KK: Kontinent Keime planet terre.ens lyon.fr Moderne Welt

19 Rahmenbedingungen der Habitabilität: Archaische Mond Erde Beziehung! Hadaikum Mond Entstehung, ca. 4,53 Ga km Archaikum!! Frühes Archaikum, 3,9 Ga need media.smugmug.com/graphics/graphics/i Cfkw5rH/1/XL/Tidal%20Bulge ca km d~ 21r E Holozän 1 r E =6371 km ca km Heute entfernt sich der Mond jährlich um 3,8 cm von der Erde Mond Erde Archaikum

20 Kometen und Meteoriten Quellen Oort sche Wolke, Kuiper Belt, Asteroiden Belt: Stern, Nature 424,

21 Kometen als Quelle organischer Verbindungen Komet Hyakutake, esa

22 Komet 67P Churyumov Gerasimenko Größe: Rosetta Mission

23 Komet 67P Churyumov Gerasimenko Organische Verbindungen: Ein spezieller Duft

24 Von wo kommt das Wasser auf der Erde? e P P N e Wasserstoff H Deuterium Schweres Wasser D

25 Komet 67P Churyumov Gerasimenko Kometen Wasser Eis D/H Ratio comets

26 N 2 An average ratio of N2/CO = (5.70 ±0.66) 10 3 was determined for the period October The minimum and maximum values measured were and , respectively. Because the amount and composition of the gases change with comet rotation and position of the spacecraft with respect to the comet's surface, an average value is used. The 14N/15N ratio for the N2 in Comet 67P/Churyumov Gerasimenko is assumed to be 441, the value for the protosolar nebula as measured from Jupiter and the solar wind, while the corresponding value for nitrogen in hydrogen cyanide and ammonia is 130, as measured at other comets. The value for the Earth's nitrogen is 272.

27 Atmosphäre der frühen Erde 1. Vulkanismus 2. Impakte von Kometen und Asteroiden, reich an volatilensubstanzen(h 2 O, CO 2, CH 4, N 2, NH 3 )

28 Kohlige Chondriten als Quelle organischer Verbindungen: Aminosäuren mit exotischen Delta Werten Murchison Kohliger Chondrit CM 1969 in Südost Australien gefallen Masse ca. 100 kg Insgesamt 74 Aminosäuren δ 13 C ( PDB) δ 15 N(%atmN 2 ) α Aminoisobutric acid: Isovaline: Glycine: D Glutamic acid: +60 L Glutamic acid: D Alanine: L Alanine: L Leucine: +60 D,L Proline: +50 D,L Aspartic acid: +61 Sarcosine: +129 Engel et al 1990, Engel & Macko, 1997, unpubl. Data

29 Präbiotische Welt Herkunft der organischen Moleküle Joyce Nature 418

30 Ursuppe

31 Ursuppen Versuch Miller & Urey, 1953 Heute wird bestritten, dass die frühe Atmosphäre nur aus CH 4, NH 3, H 2 O, und H 2 bestanden hat. CO 2, NO x und H 2 S waren vermutlich ebenfalls wichtige Bestandteile. Unter dieser Annahme funktioniert der Versuch nicht. Trotzdem ist er richtungsweisend, weil er mögliche Prozesse in kosmischen Staubwolken plausibel erklärt. as.utexas.edu

32 Thioester Welt (Schwefel Welt) de Duve, 1991 Proto Metabolismus R=organic group S=Sulfur H=Hydrogen R SH + R'COOH => R S CO R' + H 2 0 Thiol HS reiche Fluide AG/AG.html Carboxylic acid Thioester Energiereiche Thioesterbindungen Vorstufe für ATP Katalyse der Makromolekülbildung Stabilisierung an Mineraloberflächen Thioester spielen eine zentrale Rolle bei der Bildung von energiereichen Phosphaten Thioester können die spontane Polymerisierung von Aminosäuren zu Peptiden und einfachen Proteinen begünstigen In der Thioester-reichen Ursuppe entstand wahrscheinlich aus Cysteamin, b-alanin und Pantoic Acid Pantethein ein Vorläufer Molekül von Coenzym A (Keefe et al 1995)

33 Eisen Schwefel Welt Wächtershäuser, 1988; Russel & Hall, 1997, 2006 Katalyse der Makromolekülbildung Stabilisierung an Mineraloberflächen Fe Sulfid Oberflächen als Template Erforderliches Milieu: Reduzierende, alkaline Hydrothermale Seeps Rezentes Beispiel: Lost City Hydrothermal Feld Proto Metabolismus Protoenzyme White Smoker Enzyme mit Metallzentren z.bni in MCR, Hydrogenasen, etc

34 RNA Welt 'RNA Welt Entstehung duplikationsfähiger Strukturen auf Mineraloberflächen Information! Als ein Hinweis auf die Existenz der RNA-Welt werden Ribosomen und die katalytisch aktive ribosomale RNA angesehen, ebenso kleine trna als AS kodierende Moleküle könnten evolutionäre Überbleibsel dieser Zeit darstellen

35 Protozellen

36 Protozellen Deamer et al A. Murchison CM Extrakt Lipid Vesikel (LV) B. Pyranin, im LV eingefangener Fluoreszenz Partikel A. Künstlicher Lipid Vesikel (LV) (Decanoic A.+ Decanol (1:1, ph 8) B. LV mit eingeschlossener DNS 600 BP, Acridin Org.

37 Der Beginn Bacteria& Archaea Komplexe Zellmembran Lipide Polarer hydrophiler Kopf hydrophober Schwanz Bacteria O H 2 C O O HC O C C ester HO CH Fettsäuren Archaea H 2 C O C ether HC O C HO CH Isoprenoidalkohole 2016

38 Der Beginn LUCA: Last Universal Common Ancestor ca. 4 Milliarden Jahre Heutige Bakterien sind meistens mesophil (25 40 C), einige sind thermophil. Gaucher et al. rekonstruierten Proteine von ancestralen Bacteria, und fanden heraus, dass die frühesten Bacteria in Ozeanen lebten in einem Temperaturbereich von C. Viele moderne Archaea sind thermophil. Unbekannt ist jedoch der Temperaturbereich in denen sich die frühesten Archaea entwickelt haben. Basiered auf Analysen und Modellen zur frühen RNA wird angenommen das LUCA meso oder thermophil war. 16sRNA Stammbaum 2016

39 Die ältesten Evidenzen für Leben? Exkurs: Stabile Kohlenstoffisotopen eine mögliche Biosignatur - Isotopen: Atome mit gleich vielen Protonen, haben aber unterschiedliche Neutronen - Kohlenstoff: Kohlenstoff C - Gleiche Anzahl an Protonen (12) und Elektronen Elektronen (e - ) - Unterschiedliche Anzahl an Neutronen (12-13) Protonen (p) - 2 stabile Kohlenstoffisotope: Neutronen (n) - 12 C = 98.93% - 13 C = 1.07% - Angabe relativ zu einem Standard in (ausgedrückt als δ 13 C)

40 C Isotopen Fraktionierung bei verschiedenen Biosynthese Pfade Es wird das leichte 12 C bevorzugt verwendet es ist schneller. Calvin Zyklus: δ 13 C Photosynthese, Fixierung von C Mikrobielle Methanogenese über Methyl Coenzym M Reduktase (MCR): δ 13 C Biosignatur!

41 δ 13 C Signatur ist eine Biosignatur! Aber.. Seewasser Erdmantel Peridotitische Diamanten: δ 13 C: ca. 10 (Schidlowski, 2001)

42 Aber!! Meteoriten Kohlige Chondriten bringen C org auf die Erde! +24,6 Murchison CM, gefallen 1969 in Australien Tagish Lake CI2, gefallen 2000 in Kanada Orgueil CI1, gefallen 1864 in Süd West Frankreich ,75 Amino acids aromatics δ 13 C as +27 δ 13 C arom 17,5 ( ) ( 29 10,3 ) Organische kohlige Matrix Carboxylic acids δ 13 C carbox 30 ( ) Succinic + sulfonic Silikatische Kugeln Chondren acids δ 13 C succ+sulf +24,6 (+29,8 +9,1 ) +19, ,6 Amino acids δ 13 C as +19,3 ( ) aromatics δ 13 C arom +8,6 (+17,5 +1,5 ) (n1 25!) Carboxylic acids δ 13 C carbox 24 ( ) Succinic acids δ 13 C succ +19 ( ) ,3 25,6 Amino acids δ 13 C as +20 ( 15 ) aromatics δ 13 C arom 25,6 ( 175 1,7 ) Carboxylic acids δ 13 C carbox 32,3 ( 38,7 28,9 ) Succinic acids δ 13 C succ 22 ( ) 11,5 +22,1 28,7 +7,2

43 Die ältesten Signaturen für Leben? Vor Late Heavy Bombardment 4,1 Ga Nach Late Heavy Bombardment 3,7 3,9 Ga Isua Supracrustal Belt SW Grönland Metasedimente δ 13 C Graphit = Mojzsis et al. (1996) Rosing (1999), Schidlowski et al. (1979) δ 13 C Graphit = 24 Von 10 4 Zirkonen hatte einer!! Graphit Einschlüsse Jack Hills Hadean Zircons

44 Acasta Jack Hills Greenstone Belts Copyright (C) 2007 Tokyo Institute of Technology

45 Rahmenbedingungen der Habitabilität: Große kosmische Einschläge 4,0 3,8Ga Late Heavy Bombardment LHB Präbiotische Welt OOL LUCA 3,8 GY Mögliche erste Biosignaturen (leichte δ 13 C 25 ) 3,6 GY Erste mikrobielle Fossilien LHB

46 Frequenz der Meteoriten Einschläge: 4,5 3,5 Milliarden Jahre Marchi et al Nature 2014 LHB GY 3,5 4,5 GY

47 Der Beginn LUCA: Last Universal Common Ancestor ca. 4 3,6 Milliarden Jahre Luca s Kritisches Intervall RNA DNA Thermophiler LUCA Thermophile Bacteria Eukarya Präbiotische Welt 3.6Ga Archaea Älteste Fossilien Heavy Bombardment Im Nachgang Beginn ökologisch stabiler Verhältnisse 3.8Ga Ga: Milliarden Jahre Heavy Bombardment