2. Entstehung der heutigen Umwelt

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1 2. Entstehung der heutigen Umwelt

2 Verteilung der Elemente im Weltall und auf der Erde (Atom-%) Z Element Weltall Erde Erdkruste Hydrosphäre Atmosphäre Mensch 1 H 92,714 0,12 2,882 66,200 60,563 2 He 7,185 3 Li 0,009 4 Be 5 B 6 C 0,008 0,099 0,055 0,001 0,035 10,680 7 N 0,015 0,0003 0,007 78,03 2, ,050 48,880 60,425 33,100 21,0 25,67 9 F 0,0038 0, Ne 0,020 0, Na 0,0001 0,640 2,554 0,290 0, Mg 0, ,500 1,784 0,034 0, Al 0,0002 1,300 6, Si 0, ,000 20, P 0,14 0,079 0,13 16 S 0,0009 1,400 0,033 0,017 0,13 17 Cl 0,045 0,011 0,340 0, Ar 0,0003 0, K 0,056 1,374 0,006 0, Ca 0,0001 0,46 1,878 0,006 0,23 21 Sc 22 Ti 0,028 0, V 0, Cr 0, Mn 0,056 0, Fe 0, ,870 1, Co 0, Ni 0,0001 1,400 0, Cu 0, Zn 0,002 99,999 99,998 99,999 99,994 99,998 99,999

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4 Beispiel: Fe (Eisen) - Relative Atommasse: 55,847 - Natürliche Häufigkeit: 52 Fe 5,82 % 56 Fe 91,18% 57 Fe 2,10% 58 Fe 0,28% - Bekannt insgesamt: 24 Isotope

5 Kennzeichnung der Atomarten - verschiedene Atomarten, die sich durch Massen- oder Ordnungszahl unterscheiden = Nuklide - IUPAC - Regel: A Z E E: Elementsymbol A: Massenzahl Z: Ordnungszahl - zur Charakterisierung von radioaktiven Nukliden noch wichtig: Halbwertszeit, Art und Energie der Strahlung Schema des PSE zum Eintrag aller Nuklide unzureichend, deshalb: Nuklidkarte

6 Nuklidkarte Z Z = Protonenzahl N = Neutronenzahl (N = A - Z) N

7 Kernaufbau- und Kernzerfallsreaktionen in Sternen

8 Big Bang Quark-Gluon Plasma Protonen- & Neutronenbildung Bildung von leichten Kernen Bildung von neutralen Atomen Bildung von Sternen Ausbreitung von schweren Elementen Heute T Universum > K > K > 10 9 K K 20 K 3 K < 20 K 3 K 3 K Zeit 10-6 s 10-4 s 3 min Jahre 1 x 10 9 Jahre > 1 x 10 9 Jahre 15 x 10 9 Jahre

9 Die Erde als unbelebter Planet Entstehung der Erde als mehrstufiger Prozess - I - Beginn vor 4,6 Mrd. Jahren Gasnebel im interplanetaren Raum, wo sich heute unser Planetensystem befindet He, H 2, andere Edelgase, schwerflüchtige Elemente in kleinen Konzentrationen, in deren Zentrum die Sonne stand beim Abkühlen - kleine, feste Materialteilchen, die aus schwerflüchtige Materialien wie z. B. Metalloxiden (Fe0, Mg0, Al 2 O 3 ), Metallen (Fe, Ni) und Silikaten bestanden Gravitationswirkung - Vereinigung der kondensierten Partikel zu größeren Gebilden

10 Die Erde als unbelebter Planet Entstehung der Erde als mehrstufiger Prozess - II - Bildung der Protoplaneten --> Merkur, Venus, Erde, Mars - rasche Zunahme der Masse der Protoplaneten - Aufheizen der Planeten durch: Aufprall der Materie (kinetische Energie --> Wärmeenergie) Wärmeerzeugung durch den Zerfall radioaktiver Elemente - Aufschmelzen des homogenen Gemenges aus Metallen, Metalloxiden und Silikaten (Fp. Ni 1452 C, Fe 1539 C) und Absinken der Metalle ins Erdinnere - Dauer der Trennung in Erdkern und Erdkruste: ca Jahre - In der Folgezeit allmähliche Abkühlung der Oberfläche und Aufkondensieren weiteren kosmischen Materials - Die feste Erdkruste gibt leicht flüchtige Anteile ab

11 Bedingungen für menschliches Leben? - ambiente Temperatur- und Druckbedingungen - Strahlungsfilter (Luftschicht) - Sauerstoffgehalt der Atmosphäre - Energiezufuhr (Entropie??)

12 Vergleich der Elementhäufigkeit Erdkruste - Mensch

13 Durchschnittliche elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpers (70 kg) Element Elementsymbol Masse Entdeckung als essentielles Element Sauerstoff O 45,5 kg Kohlenstoff C 12,6 kg Wasserstoff H 7,0 kg Stickstoff N 2,1 kg Calcium Ca 1,05 kg Phosphor P 700 g Schwefel S 175 g Kalium K 140 g Chlor Cl 105 g Natrium Na 105 g Magnesium Mg 35 g Eisen Fe 4,2 g 17. Jh. Zink Zn 2,3 g 1896 Silicium Si 1,4 g 1972 Rubidium a Rb 1,1 g Fluor F 0,8 g 1972 Zirconium a Zr 0,3 g Brom b Br 0,2 g Strontium a Sr 0,14 g Kupfer Cu 0,11 g 1925 Aluminium a Al 0,10 g Blei b Pb 0,08 g 1977 Antimon a Sb 0,07 g Cadmium b Cd 0,03 g 1977 Zinn Sn 0,03 g 1970 Iod J 0,03 g 1820 Mangan Mn 0,02 g 1931 Vanadium V 0,02 g 1971 Selen Se 0,02 g 1957 Barium a Ba 0,02 g Arsen b As 0,01 g 1975 Bor B 0,01 g Nickel Ni 0,01 g 1971 Chrom Cr 0,005 g 1959 Cobalt Co 0,003 g 1935 Molybdän Mo < 0,005 g 1953 Lithium b,c Li 0,002 g nach Merian, Elmadfa, Leitzmann a Nicht als essentiell bewertet b Essentieller Charakter nicht eindeutig c Nach Pfannhauser

14 Die Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs O 2 -Bildung ist prinzipiell über anorganische Reaktionen denkbar, Photolyse von CO 2 oder H 2 O (in damaliger Atmosphäre vorhanden) durch kurzwellige UV-Strahlung λ < 200 nm (1) Ist durch das Fehlen bedeutender Mengen CO in der Atmosphäre auszuschließen (2) a) Rechnungen zeigen, dass über anorganische photolytische Prozesse nur etwa 0,1 % des heutigen O 2 -Gehaltes hätten gebildet werden können b) Mit steigendem O 2 -Gehalt spaltet UV-Licht vorzugsweise O 2 statt H 2 O (chemischer Rückkopplungsprozess Urey-Effekt) Bildung des atmosphärischen Sauerstoffs andere Gründe?

15 Photosynthetische Sauerstoffproduktion: - Anorganisch photolytischer Prozess der Spaltung spielt mengenmäßig, wie auch der geringe Sauerstoffgehalt in den Vulkangasen ( ppb) keine Rolle - Blaualgen (Cyanobakterien), grüne Pflanzen synthetisieren organisches Material und als Nebenprodukt Sauerstoff hν 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 - Für jedes entstandene und abgelagerte C-Atom, für das die Verwesung nicht entsprechend der Rückreaktion verläuft, bleibt entsprechend Sauerstoff übrig!

16 Herausbildung des Sauerstoff - I - Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre stieg nur sehr langsam an Cyanobakterien (O 2 und Bildung red. C-Verbindungen) (über einen langen Zeitraum wurde er zur Oxidation reduzierter Stoffe verbraucht) Verzögerung durch: im Meerwasser gelöste Eisen(II)-Ionen 4 Fe H 2 O + O 2 2 Fe 2 O H 3 O + gelöstes Fe 2+ Rotsteinsedimente im Wasser gelöste Sulfid-Ionen S O 2 SO 2-4 durch Oxidation von Fe 2+ -Ionenin verwittertem Gestein

17 Herausbildung des Sauerstoff - II mit zunehmender O 2 -Konzentration in der Atmosphäre spielt die Löslichkeit im Meerwasser eine wachsende Rolle (proportionale Zunahme der Löslichkeit) Henry sches Gesetz c O2 = H P O2 c O 2 P O 2 H = Konzentration des im Wasser gelösten Sauerstoffs = Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre = Henry sche Konstante

18 Herausbildung des Sauerstoff - III weiterer Anstieg des O 2 -Gehaltes erreicht bei etwa 10% des Gesamtgehalts eine neue Qualität (vor etwa Mio. Jahren) -aus O 2 -Gehalt kann sich genügend Ozon (O 3 ) bilden (Ozonschicht!!), um lebenszerstörende UV-Strahlung (λ < 310 nm) zu absorbieren - Entwicklung der ersten Landpflanzen (vor etwa 400 Mio. Jahren) seit etwa 350 Mio. Jahren entspricht der O 2 -Gehalt der Atmosphäre ungefähr dem heutigen Wert (etwa 21%) wenn alles Leben auf der Erde (heute) verlöschen würde, würde aller Sauerstoff nach ca. 300 Mio. Jahren im Meeressediment eingelagert sein

19 Aller auf der Erde vorhandene molekulare Sauerstoff ist das Ergebnis von Organismen!!

20 Früherde als chemisches Laboratorium CO ;CO 2 ; CH 4 ;N 2 ; NH 3. PH 3 ;H 2 ; H 2 S H 2 O Radioaktivität Aminosäuren z.b

21 Die Entstehung von Biomolekülen Zeitraum: von etwa 2,5 Mrd. Jahren Energiequelle: Sonnenlicht (UV-Strahlung) Strahlenschutzschild: 0,1% O 3 in der Atmosphäre, H 2 O (Maximum zwischen 260 und 280 nm; ist der Bereich, in dem "biologische Moleküle" am strahlungsempfindlichsten sind.)

22 Millersche Apparatur zur Synthese von Biomonomeren

23 Millersches Experiment Produkte: HCHO HCOOH CH 3 -HCOOH elektrische Entladung oder Adenin z.b. UV-Licht Asparaginsäure, Alanin Purine, Zucker, Porphyrine, Glycin und andere essentielle Bausteine des Lebens Nachweis: Bildung organischer Grundmoleküle aus anorganischen Verbindungen unter (angenommenen) Umweltbedingungen

24 Photosynthese Reaktionsgleichung (vereinfacht): 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 (Chlorophyll, Sonnenlicht) Resultat: 1. Bildung von reduziertem Kohlenstoff 2. Bildung von freiem Sauerstoff

25 Photosynthese / Kohlenstoffumsatz - jährlicher Umsatz bei Photosynthese: ca. 120 Mrd. t 50% 50% Einbau in Biomasse Atmung CO 2 Pflanzenfresser (1 Mensch 1 kg CO 2 /h) Verwesung CO 2 Sedimentierung (nur etwa 0,1 Mrd. t/jahr)

26 Atmung: - aerobe Atmung: abgespaltener Wasserstoff aus Organika auf molekularen Sauerstoff unter Bildung von Wasser übertragen: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 - anaerobe Atmung: der Wasserstoff wird auf Sauerstoff in gebundener Form übertragen (verläuft unter Sauerstoffausschluss) z.b. auf Nitrat oder Sulfatsauerstoff als H-Akzeptor: NO 3 - N 2, NH 3 ; SO 4 2- H 2 S

27 Vergleich: Gärung: C 6 H 12 O 6 2 CH 3 -CH(OH)COOH (ΔG = -199 kj) Atmung: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O (ΔG = kj) - Atmung ist summenmäßig die Umkehrung der Photosynthese - Atmung ist 14 mal effektiver als die Milchsäuregärung (siehe freie Enthalpie ΔG ) - Atmung bedeutet für die Lebewesen einen enormen evolutionären Vorteil

28 Schlussfolgerungen: thermodynamisch ist das Leben sehr unwahrscheinlich (Verringerung der Entropie gegenüber der unbelebten Umwelt) - Leben kann nur durch ständigen Energiefluss in das lebende System aufrechterhalten werden (Energiefluss der Sonne) - Bedingung sind effektive Stoffwechselvorgänge (Atmung) die natürliche Umwelt ist eine permanent fließendes Gleichgewicht, geringe Änderungen können weitreichende Konsequenzen haben