Die Rekonstruktion von Zeit in Geologie und Biologie

Gesteine und Fossilien als Zeitzeugen und Zeitspeicher.

• Möglichkeiten der Alters- und Zeitbestimmung mittels absoluter und relativer Altersbestimmungsmethoden

• Darstellung dieser Methoden

• Regeln, Gesetze und Erkenntnisse, welche diese Methoden bezüglich der Zusammenhänge zwischen Fossilien (bzw. Gesteinen) und Zeit liefern.

• Das Phänomen Zeit aus der Sicht der Biologie.

1. Relative Altersbestimmungsmethoden

2. Absolute Altersbestimmungsmethoden

Altersbestimmungsmethoden

1.1 Stratigraphie

1.1.1 Vergleich und Untersuchung der Lagerungsverhältnisse bzw. der

Abfolge der Gesteinsschichten.

1.1.2 Untersuchungen zur Dauer der Ablagerung von Sedimenten

1.2 Biostratigraphie (Vergleich von Fossilien und Gesteinen)

1.2.1 Untersuchungen des Fossilgehalts der Gesteine und Vergleich

1.2.2 Vergleich der Fossilien untereinander

1.2.3 Vergleich der Fossilien mit lebenden Organismen

1. Relative Altersbestimmungsmethoden

2.1 Geologische Methoden2.1.1 Warvenanalyse

2.1.2 Eisbohrkerne

2.2 Biologische Methoden2.2.1 Dendrochronologie

2.2.2 Pollenanalyse

2.2.3 Aminosäurenrazemisierung

2.3 Physikalische Methoden2.3.1 Radiometrische Bestimmungsmethoden

2.3.2 Radiocarbonmethode (14C-Methode)

2.3.3 Thermolumineszenz

2.3.4. Elektronenspinresonanz(ESR)

2. Absolute Altersbestimmungsmethoden

Gesteinslagen

Fossilien

Hunsrück-schieferMitteldevon

KelchplattenMitteldevonGerolstein

Aufgeschlagener KelchUnterdevon

aufgerollte StieleUnterdevon

ein ganzer Kelch Mitteldevon, Eifel

Kelch und ArmeOberdevon, Marokko

Warven

Baumringe

Erstellung eines Baumringdiagramms

PollenanalyseNacheiszeit

Späteiszeit

Pollenanalyse 2

Molekül als Bild und Spiegelbild

Aspartin (Asparagin) und Isoleucin

L-Aspartin L-Isoleucin

Radiometrische Methoden• Die meisten natürlich vorkommenden Elemente besitzen Atome mit

unterschiedlicher Massenzahl, bedingt durch eine unterschiedliche Neutronenzahl im Kern.

• Diese unterschiedlichen Atome werden Isotope genannt und viele von ihnen, nämlich solche mit ungewöhnlicher Neutronenzahl, sind radioaktiv.

• Diese radioaktiven Isotopen zerfallen in einem oder mehreren Schritten unter Aussendung von Strahlung und Teilchen unterschiedlicher Art zu einem neuen stabilen anderen Isotop.

• Dieser Zerfall ist auch der Schlüssel radiometrischer Zeitmessung. Denn er verläuft in einer charakteristischen Form ab:

• Nach Ablauf einer ganz bestimmten, für jedes Radionuklid charakteristischen Zeit ist von einer ursprünglich vorhandenen Menge eines Radionuklids nur noch die Hälfte vorhanden.

• Nach derselben Zeit ist wiederum nur noch die Hälfte der Hälfte vorhanden usw.

Diagramm der Halbwertszeit

Formeln zur Berechnung des Alters radioaktiver Stoffe

N N e t 0

N0 gibt die Menge der Ausgangsisotope an, N die im Gestein angetroffenen Isotope zur Zeit t und λ ist die Zerfallskonstante. Diese ist mit der Halbwertszeit T 1/2 über folgende Formel verbunden:

ln( )

/

2

1 2TDamit ergibt sich für t:

tT N

N

12

02ln( )ln( )

Halbwertszeiten einiger RadionuklideBeryllium-8 2 x 10-16 SekundenPolonium-214 1,6 x 10-5 SekundenWismut-214 19,9 MinutenRadon-222 3,8 TageWasserstoff-3 12,3 JahreBlei-210 22 JahreStrontium-90 28 JahreRadium-226 1600 JahreKohlenstoff-14 5370 JahreUran-235 700 Mio. JahreKalium-40 1,3 Milliarden JahreUran-238 4,5 Milliarden JahreThorium-232 1,39 x 1010 JahreRubidium-87 4,88 x 1010 JahreSamarium-147 1,06 x 1011 JahreTellur-128 7,2 x 1024 Jahre

• in ausreichender Menge im zu untersuchenden Gestein und Fossil vorhanden sind

• bei denen auch das Tochterisotop in entsprechender Menge vorhanden ist (z. B. keine Auswaschung durch höhere Löslichkeit, oder Entweichen wegen Gasform)

• die eine möglichst lange HWZ besitzen, so dass Zeiten bis zur Entstehung der Erde ( ca. 4,5 / 4,6 Milliarden Jahre) auch sicher bestimmt werden können.

Eigenschaften nutzbarer Radionuklide

Die wichtigsten radiometrischen Bestimmungsmethoden

• Kalium-Argon-Methode

• Rubidium-Strontium-Methode

• Methoden mit Thorium und Protactium

• Uran-Blei-Methoden

Entstehung des 14C-Atoms

614

714C N e

714

01

614

11N n C p

14C-Methode• 14C ist also ein β-Strahler mit einer Halbwertszeit von 5730 ± 40Jahren.• Auf lange Sicht stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen zerfallenden und neu entstehenden Atomen ein, mit einem praktisch konstanten Verhältnis des radioaktiven 14C-Isotops zum stabilen 12C-Isotop• (98,89% 12C, 1,11% 13C und nur 0,000 000 000 1% = 10-10% 14C.). Daraus ergibt sich ein Verhältnis von 14C :12C = 1,5.10-12.• In Form von CO2 gelangt es über die Photosynthese in die Pflanzen und über die Nahrungskette in Tiere und den Mensch.• Aus dem oben genannten Verhältnis und der Halbwertszeit von 14C ergeben sich bei einem beliebigen Lebewesen pro Gramm Kohlenstoff 12,5 Zerfälle pro Minute.• Mit dem Tod eines Organismus beginnt sich dieses Verhältnis aber zu

Ungunsten des 14C-Isotops zu verändern, da das 14C mit konstanter Geschwindigkeit zerfällt und somit dem Gleichgewicht entzogen wird.• Nach einer HWZ (5730 J) zerfallen nur noch 6,25 14C-Atome pro Minute, nach 2 HWZ (11460 J) nur noch 3,125 Atome / min etc.• Damit ist daher eine Altersbestimmung nur bis zu 50 000 Jahren , neuerdings allerdings sogar bis 70 000 Jahren möglich.

Thermolumineszenzdatierung• Im Kristallgitter anorganischer Kristalle sind freie Elektronen vorhanden.

• Diese werden durch die ionisierende radioaktive und kosmische Strahlung dauerhaft

• angeregt, indem sie diese Energie absorbieren und in einen höheren Energiezustand gelangen.

• Quarz und Feldspat sind solche Kristalle und sind gleichzeitig in allen Keramiken.

• Erhitzt man diese Kristalle im Labor über eine bestimmte Temperatur (ca.300o), so kehren die Elektronen in ihren energetischen Ausgangszustand zurück. Dabei wird Licht emittiert.

• Aus der Höhe der Temperatur, der Intensität und dem Spektrum des ausgesandten Lichtes, sowie noch weiteren Parametern kann das Alter der Probe ermittelt werden.

• Auch diese Methode ist relativ genau, kann jedoch nur für Keramiken angewandt werden und reicht daher nur einen kurzen Zeitraum zurück.(bis ca.5000 Jahre)

Erkenntnisse der Evolution1. Verwandte Organismenarten sind aus einer gemeinsamen Art hervorgegangen,

die zeitlich vor ihnen auftrat.

2. Bei zeitlich aufeinander folgenden verwandten Organismenarten lassen sich sowohl Progressions- wie Regressionsreihen aufstellen, d.h. Reihen homologer Organe die bei zeitlich aufeinander folgenden Organismenarten im Laufe der Zeit immer spezialisierter werden bzw. immer stärker reduziert werden.

3. Innerhalb dieser Progressionsreihen zeitlich aufeinander folgender verwandter Arten lässt sich ein nicht umkehrbarer Trend zur Ausbildung immer größerer Formen bis hin zu Riesenformen beobachten.

4. Ebenso lässt sich ein nicht umkehrbarer Trend zur Ausbildung immer komplexerer und luxurierender Formen in Detailbereichen feststellen.

5. Einmal entwickelte neue Organe werden nicht wieder zu bereits vorher verwandten analogen Organsystemen zurückentwickelt.

6. Das Leben hat sich auf der Erde “einsinnig” entwickelt und Formen wiederholen sich innerhalb eines Artenstammbaumes nicht.

Urpferdchen

Pferdestammbaum

Gehirnentwicklung

Zeit ist eine eindimensionale Ewigkeit.Zeit ist eine eindimensionale Ewigkeit.

(Hans Lohberger)