Historisk geologi 2.kvarter Prækambrium II. Erik Thomsen

Transkript

1 Historisk geologi 2.kvarter Prækambrium II Erik Thomsen

2 Jordens historie udgør 1/3 af al tid Der har eksisteret liv på Jorden i 9/10 af den tid planeten har eksisteret Jordens størrelse gør, at den kan holde på en atmosfære Jordens afstand til solen gør, at vand kan eksistere i flydende form Livet har fuldstændig ændret atmosfærens og oceanernes kemi Livet har siden dets opståen haft stor betydning for geologiske processer Livet har haft en afgørende betydning for opbygningen af Jordens skorpe

3 mia. år 0 Flercellede org. med skal (545 mio. år) 1.0 Spor af flercellede alger (ca. 1 mia. år) 2.0 Celler med cellekerner opstår, eucaryote celler (ca. 2.0 mia. år) Første fri ilt i atmosfæren (2.0 mia. år) 3.0 Bakterier til stede (3.8 mia. år - nutid) 4.0 Livet opstår for mia. år siden Jorden får fast skorpe, oceanerne dannes (4.4 mia. år) Big Bang, Universets dannelse

4 For at en celle kan betegnes levende, må følgende kriterier være opfyldt: Den må have et stofskifte (dvs. kunne omsætte energi og resurcemolekyler til vækst og deling. Den må indeholde et selvreplikerende arveligt materiale, som tillader evolution. Den må være indeholdt i en container (dvs. omgivet af en membran ).

5 1. Hvornår I de første mio. år var Jorden totalt opsmeltet på grund af kondenseringsvarmen, varme fra radioaktive processer og varme fra utallige meteoritnedslag. Nogle mener, at fortsat meteoritbombardement umuliggjorde liv før ca mio. år. Oceaner måske allerede fra før 4400 mio. år

6 Solen Energi til rådighed for liv på Jorden w/m - albedo (1/3 af indstrålingen) 2 = ~230 w/m = 230 j/m 2 per sekund Fra solen 340 w/m 2 Fra Jordens indre 0,087 w/m 2 Jorden Livet omsætter i nutiden 0,300 w/m 2 Mennesket producerer ~0,025 w/m 2

7 Koncentration af gasser i atmosfæren Ukendt atmosfære % 100 Den svage sols paradoks Ved jorden dannelse var solens stråling ca % lavere end i dag. 75 Methan CH4 og ammoniak NH 3 For ca. 600 mio. år siden tæt ved begyndelsen af Kambrium var solstrålingen på Jorden stadig ca. 6% lavere end i dag Vanddamp H O 2 Kuldioxyd CO 2 Kvælstof N 2 Set ud fra nutidens forhold, burde Jorden i hele denne periode have været bundfrossen. HVORFOR VAR DEN IKKE DET? Ilt O mia. år nutid Solens stråling er øget ca % siden solens dannelse for 4.6 mia. år siden

8 Koncentration af gasser i atmosfæren % 100 Ukendt atmosfære 75 Methan CH4 og ammoniak NH 3 50 Kvælstof N 2 25 Vanddamp H O 2 0 Kuldioxyd CO 2 Ilt O Model 2 2 Model 1 4 mia. år Den tidligste atmosfære var uden fri ilt. Den var stærkt reducerende. De vigtigste luftarter var: Kvælstof, N Dertil lidt 2 Vanddamp H 2 O Kulilte CO Kuldioxid CO Svovlbrinte H 2 S 2 Ammoniak, NH og muligvis 3 Methan, CH Cyanbrinte, HCN mia. år Formaldehyd, CH 2 O nutid Solens stråling er øget ca % siden solens dannelse for 4.6 mia. år siden

9 Den præbiotiske fase: Sandsynligvis meget varmt, enkelte argumenterer dog for at livet opstod på en nedfrosset Jord Spørgsmål: Hvorledes og i hvilken rækkefølge opstod de enkelte komponenter i den levende celle? I hvilket specifikt miljø opstod den levende celle?

10 Millers forsøg, 1953 I en opstilling med atmosfære der skulle ligne en præbiotisk atmosfære undersøgte Miller om man spontant kunne danne komplicerede organiske molekyler. Atmosfæren bestod af CH 4 NH 3 H 2 og H 2 0 Senere har man tilsat bla. H 2 S, cyanid og formaldehyd i små mængder

11 Ved eksperimenter af Miller typen har man syntetisk kunnet fremstille: Samtlige 20 aminosyrer, der indgår i levende organismer, plus adskillige andre. De almindeligste aminosyrer i laboratoriet er også de almindeligste i de biologiske systemer, fx glycin, alanin, og leucin.

12 Man kan ligeledes danne de fire baser, der indgår i DNA, nemlig adenin, guanin, cytosin og thymin, samt uracil i RNA. Man kan også danne små fedtsyremolekyler.

13 Forbehold: Det er ikke muligt at danne organiske molekyler under laboratorieforhold, hvis der er CO til stede i atmosfæren, og det vanskeliggøres, hvis der er CO 2 til stede.

14 Det synes således at være relativt let i en reducerede præbiotisk atmosfære at bygge en række af de vigtigste elementære molekylære byggesten. Det bekræftes af Murchison meteoritten, der faldt i Australien i Murchison meteoritten indeholder talrige organiske forbindelser blandt andet 92 forskellige aminosyrer. Heraf er 19 er fundet på Jorden.

15 Problemer Det har vist sig uhyre vanskeligt at kæde disse små molekyler (monomerer) sammen til store stabile polymerer. Det gælder sammenkoblingen af aminosyrer til proteiner. Det gælder sammenkoblingen af baser med kulhydrater til nukleosider og den videre udvikling til nukleotider og til nukleinsyrer. Det gælder ikke sammenkoblingen af små fedtsyrer til større molekyler. Problemet er her, at disse spontant dannede molekyler er forgrenede i modsætning til biologiske, der er serielle.

16 Stofskifteprocesser er især knyttet til proteiner Reproduktion er især knyttet til DNA/ RNA Vi har tre muligheder. Protein-verdenen og DNA og/eller RNA-verdenen opstod samtidig og udvikledes parallelt. DNA og/eller RNA verdenen opstod først. Protein-verdenen opstod først.

17 Hvad kom først hønen eller ægget Hvorledes danner man store komplicerede proteinmolekyler i moderne organismer? Kan vi lære noget fra den biologiske verden, som vi kan bruge i den præbiotiske? Organismers arveanlæg indeholder den nødvendige information for at celler kan danne store komplexe proteinmolekyler (enzymer). Disse er igen helt afgørende som katalysatorer for reproduktion af arveanlæggene. Så For at danne proteiner må vi have arveanlæg og for at danne arveanlæg må vi have proteiner. Hvorledes kan et sådant system, hvor den ene komponent er afhængig af den anden, tænkes at opstå?

18 RNA-verden først Den mulighed blev meget populær for ca. 30 år siden, da man blev opmærksom på visse nye sider af RNA s funktion Nogle af de vigtigste er: RNA kan have en enzymatisk effekt; sådanne ribozymer er fundet i nulevende organismer. Det er derfor fristende at forstille sig at brugen af proteiner som katalysatorer er sekundær.

19 Protein-verden først Kan man tænke sig et miljø, hvor det under præbiotiske forhold vil være muligt, at polymerisere aminosyrer til proteiner?

20 Cairns-Smith s lermineral-teori Ifølge denne teori var den organiske syntese (og det første egentlige liv) knyttet til lermineraler. Ved polymerisering af aminosyrer til proteiner i en vandig opløsning afgives vand, og ligevægten er forskudt kraftig til venstre. Monomerer polymer +H 2 0 Ved absorption af aminosyrer på overflade af lermineraler forskydes balance mod højre og polymeriseringen lettes (vist eksperimentelt).

21 Forældet klassifikation af livets træ i fem riger

22 Klassifikation af livets træ i tre domæner

23 Klassifikation af livets træ i tre domæner Hvorledes skaffer bakterier sig energi? Heterotrofe (nedbryder organisk stof, som de optager fra deres omgivelser) Forgæring (uden ilt) Respiration (med eller uden ilt) Autotrofe (de producerer selv deres energi og føde) Kemoautotrofe (får energi ved at nedbryde energirige uorganiske forbindelser) Fotoautotrofe (udnytter energien i sollys)

24 Stofskifteprocesser Heterotrofe (nedbryder organisk stof, som de optager fra deres omgivelser Forgæring (uden ilt) Respiration (med eller uden ilt) Autotrofe (de producerer selv deres energi og føde) Kemoautrotrofe (får energi ved at nedbryde energirige uorganiske forbindelser) Fotoautrorofe (udnytter energien i sollys) Bacteria ligner Archaea med hensyn til stofskifteprocesser dog med to væsentlige tilføjelser nemlig fotosyntese 2, der udnytter vand og kuldioxyd og har ilt som et spildprodukt, samt respiration ved hjælp af ilt. Disse processer kendes ikke hos Archaea. De fleste Archaea tåler ikke ilt. De lever i extreme miljøer, varme eller haline miljøer, fx Det døde hav. De fleste er kemoautrofe Nogle få Archaea er fotoautrotrofe. Dog med H 2 S i stedet for H 2 O (fotosyntese 1). Spildproduktet er derfor svovl og ikke det farlige ilt

25 Kemoautrofe processer Fotosyntese 1 Fotosyntese 2 Ved fotosyntese 2 produceres ilt som biprodukt. Ilt er dødeligt for de fleste Archaea og også for mange Bacteria. Nogle heterotrofe Bacteria udviklede dog en evne til at udnytte ilt til nedbrydning af optaget organisk (ilt-respiration). Denne proces er langt mere energieffektiv end forgæring.

26 Et helt afgørende gennembrud i evolutionen var udviklingen af fotosyntese 2 Hvornår skete det og hvorfor var det så afgørende?

27 Verden ældste spor af liv er små mikroskopiske kulstofpartikler fra Isua, Grønland. Alder ca mia. år Kulstof partiklerne har et 13C/12C forhold, der tyder på biologisk oprindelse. Dannelsen af liv er altså sket på mindre end mio. år

28 I samme lag findes alternerede lag af jern og silica tyder på fotosyntese med produktion af ilt. Hvis rigtigt, må der for ca mio. år siden have eksisteret komplicerede bakterielignende på Jorden. Dannelsen af liv er altså sket på mindre end mio. år

29 Moderne stromatolitter (Shark Bay, Australien) Iltproducerende bakterier med fotosyntese tilhører gruppen cyanobakterier. De er i nutiden bla. ansvarlige for dannelsen stromatolitter. Disse strukturer er især kendt fra den hypersaline Shark Bay, Australien. Tværsnit af 2 mia. år gamle stromatolitter, Canada De pudeformede stromatolitter opbygges ved at slimede lag af cyanobakterier i forbindelse med tidevand fanger opslemmet sediment fra vandet. Bakterierne vokser så igennem de tynde sedimentlag og danner nye slimlag. Stromatolitter er sjældne i nutiden, da bakterierne normalt spises af især snegle. De ældste stromatolitter er 3.5 mio. år gamle, og de er sandsynligvis også dannet af cyanobakterier. Det tyder på, at fotosyntese blev udviklet meget tidligt i evolutionen. Det er i overensstemmelse med geologiske vidnesbyrd i form af 3.8 mia. år gl. BIF.

30 Stromatolitter, Great Slave Lake Canada Proterozoikum

31

32 Båndet Jernmalm (BIF). Afsat i oceanerne i enorme mængder mellem 2.5 mia. år og 1.8 mia. år. Den ældste BIF er 3.8 mia. år BIF dannet ved iltning af reduceret jern, Iltet jern (rust) er uopløseligt i vand i modsætning til reduceret jern.

33

34 For 2 mia. år siden formindskes aflejring af BIF, og den ophører for 1.8 mia. år siden. I stedet fås rødfarvede aflejringer på land (redbeds). Det tyder på, at der nu opbygges fri ilt i atmosfæren, og dermed også i havet.

35 Endosymbiontteorien for dannelsen af den eucaryote celle. Undersøgelser af cellemembranen samt af rdna viser at eucaryoterne nedstammer fra Archaea. Mitokondrierne var oprindelig selvstændige bakterier med respiration. De kommer fra Bacteria. Kloroplasterne var oprindelig selvstændige fotosyntetiserende cyanobakterier.

36

37 Den kambriske eksplosion Hovedgruppernes opståen ud fra geologiske vidnesbyrd

38 Aftryk af flercellede fossiler, Ediacara, Australien. Alder mio. år

39 mia. år 0 Snowball earht 1.0 Flercellede org. med skal (542 mio. år) Spor af flercellede alger (ca. 1 mia. år) 2.0 Huronian istid Celler med cellekerner opstår, eucaryote celler (ca. 2.0 mia. år) Første fri ilt i atmosfæren (2.0 mia. år) Bakterier til stede (3.8 mia. år - nutid) Bakterier med fotosyntese? Livet opstår for mia. år siden Jorden får fast skorpe, oceanerne dannes (4.4 mia. år) Big Bang, Universets dannelse

40

41 Udbredelse af glaciale aflejringer fra Sen Prækambrium Aldersbestemmelse af glaciale aflejringer fra Sen Prækambrium

42 Undersøisk till (diamicton) Central USA (Idaho) Sen Proterozoikum Undersøisk till (diamicton) Sydlige Australien Sen Proterozoikum

43 Glacial till-afsætning fra snowball earth glaciationen Tyk bænk af gigantiske calcitkrystaller udfældet i varmeperioder

44

45 Slægtskabsforhold mellem udvalgte grupper af flercellede dyr

46 Den kambriske eksplosion Hovedgruppernes opståen ud fra geologiske vidnesbyrd

47 Ældste kalkskallede fossiler fra Tidlig Kambrium Tommotian). Biologisk tilhørsforhold usikker Tidlig Kambrium Skala 1 mm

48 Wächterhäuser s hypotese er uafhængig af sollys og er brugt som en forklaringsmodel for de forskere, der forestiller sig at livet er opstået omkring de såkaldte smokers, der er udstødningsrør for varmt, svovlholdigt vand i dybhavet især koncentreret omkring de midtoceaniske rygge. I tilknytning til varme svovlholdige kilder har man fundet nogle af de mest primitive nulevende bakterier. De bruger H 2 S som brintkilde og ikke vand. Det er også værd at bemærke at H 2 S er brintkilden for de første fotosyntetiserende bakterier

49 Wächterhäuser s hypotese om pyrit som arnested for organisk syntese Ved dannelse af pyrit frigives H 2 som kunne reducere CO 2 til organisk stof Fe 2 + 2HS - FeS 2 + H 2 Hypotesen forklarer hvorfor svovl og jern samt andre metaller er så vigtige i mange cellulære processer og udbygget til at forklare en forløber for fotosyntese

50 KONKLUSION: Alt i alt må det erkendes, at ideerne omkring livets opståen og tidligste udvikling er mange, men at den reelle viden er ringe.

51 RNA-verden først Man har i laboratorieforsøg kunnet danne en hel RNA-verden blot ved hjælp af nukleosider, Mg 2+ og RNA-replikase-enzymet. Systemet undergik noget, der ligner Darwinistisk evolution. Desværre virker systemet ikke uden enzymet. Det er meget stort og kan næppe opstå spontant. Man har også forsøgt at få korte RNA-strenge til at replikere uden enzymet. Det kunne faktisk lade sig gøre, men de dannede strenge var endnu kortere end de oprindelige (under 10 nukleotider). Det er heller ikke endnu lykkedes at få ribozymer til fuldstændigt at kopiere sig selv, ligesom man ikke er i stand til at separere den RNA dobbeltstreng, der er et produkt af selve kopieringsprocessen.

52 Mange har foreslået, at polymeriseringen forgik ved inddampning og opkoncentrering i laguner eller små strandpytter Andre mener dog at dette er usandsynligt, idet de dannede molekyler her ville blive udsat for en ødelæggende UV bestråling Det er også foreslået, at polymeriseringen forgik i varme kilder, bla med den begrundelse af nogle af de mest primitive nulevende bakterier er termophile. Andre afviser dog denne hypotese idet de fleste organiske molekyler bliver ustabile ved høje temperaturer.