DEEL 2 ONTSTAAN EN EVOLUTIE VAN HET ECOSYSTEEM AARDE
THEMA 2 ONTSTAAN VAN DE GEOSFEER, ATMOSFEER, HYDROSFEER EN BIOSFEER Hoofdstuk
Vorming van de geosfeer, hydrosfeer, atmosfeer en biosfeer
Hoofdstuk
Explosie van het leven
Hoofdstuk
Soorten ontstaan en evolueren
Hoofdstuk
Argumenten voor de evolutietheorie
Hoofdstuk
Argumenten tegen de evolutietheorie
Hoofdstuk
Hominisatie
• OnTsTAAn En EvOLuTiE vAn HET ECOsysTEEM AArdE
2
HOOFDSTUK
4
Vorming van de geosfeer, hydrosfeer, atmosfeer en biosfeer Vorming van de geosfeer, hydrosfeer en atmosfeer (4,6 miljard jaar geleden – , miljard jaar geleden)
De aarde ontstond uit een gas- en stofwolk. De zwaartekracht trok deze wolk samen tot een hete en visceuze planeet. Onder invloed van diezelfde kracht gebeurde er een ordening van de materie. Lichtere elementen kwamen bovendrijven en zwaardere bestanddelen zoals ijzer en nikkel zonken naar het binnenste van de planeet. Rond de aarde bestond nog geen echte dampkring, waardoor het oppervlak vrij snel kon afkoelen. De ordening van de materie bleef bewaard en zorgde voor een schilvormige opbouw (info 4.1). De afkoeling van de planeet zorgde ervoor dat de buitenkant van de planeet een vaste korst kreeg. Binnenin de planeet zijn er nog vloeibare en visceuze lagen te vinden. Alle schillen bij elkaar noemen wetenschappers de geosfeer.
De vroege aarde was waarschijnlijk een homogeen, taai vloeibaar geheel.
Info 4.
Zware bestanddelen zoals ijzer zonken naar beneden en lichtere kwamen bovendrijven.
Het resultaat is een planeet met schilvormige opbouw.
Ordening van de materie met een schilvormige opbouw als resultaat
Zonder dampkring was de aarde gevoelig voor inslagen en kon de uv-straling van de zon gemakkelijk het aardoppervlak bereiken. De atmosfeer, de laag gassen rond de geosfeer, bevatte toen nog geen zuurstofgas (O2) of ozon (O3). Tijdens de korstvorming ontstonden de eerste watermassa’s. Deze watermassa’s werden door condensatie van waterdamp uit de atmosfeer gevormd, aangevuld met water van ingeslagen ijskometen. Uiteindelijk kreeg de hydrosfeer, al het water dat zich boven en onder het aardoppervlak bevindt, stilaan vorm. Die periode (4,6 miljard jaar geleden - 3, miljard jaar geleden) staat gekend als de periode van het grote bombardement. Gedurende deze periode sloegen er miljoenen kometen en meteoren in op onze jonge planeet. Deze brokstukken brachten zowel water als belangrijke atomen en energie met zich mee. De atmosfeer rond onze planeet bestond toen hoofdzakelijk uit waterstofgas (H2), methaangas (CH4), stikstofgas (N2), koolstofdioxide (CO2), koolstofmonoxide (CO) en waterdamp (H2O). In de atmosfeer zat toen nog geen zuurstofgas. Op onze planeet heerst nu een grote verscheidenheid aan levende organismen, zoals schimmels, planten en dieren. Deze variëteit aan levensvormen wordt ook de biodiversiteit genoemd. Alle levende organismen op aarde vormen de biosfeer. Die organismen zijn grotendeels uit dezelfde atomen opgebouwd: koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (P). Deze atomen vormen de bouwstenen van het leven op onze planeet.
2
THEMA • OnTsTAAn vAn dE gEOsfEEr, ATMOsfEEr, HydrOsfEEr En biOsfEEr
2
Ontstaan van de eerste 'levende' moleculen tot meercellige eukaryoten (4, – ,55 miljard jaar geleden) 2.
Abiotische en biotische factoren De niet-levende omgevingskenmerken of abiotische factoren van onze planeet zijn drastisch gewijzigd doorheen de geschiedenis. Onder de abiotische factoren verstaan we de concentratie aan gassen in de atmosfeer, de globale temperatuur en chemische samenstelling van de hydrosfeer en de geosfeer. Het zijn die veranderingen die de evolutie van de biosfeer gestuurd hebben. De biotische of levende factoren zijn er pas vanaf dat het eerste leven ontstaan is. Hieronder valt ook het effect van die levende organismen op elkaar, bv. voedselconcurrentie of jacht.
2.2
Ontstaan van de eerste 'levende' moleculen tot protocel In de oceanen, op het vulkanisch zeer actieve oppervlak, ontstonden de eerste grote organische moleculen. Die moleculen evolueerden tot primitieve cellen, zogenaamde protocellen . Deze protocellen waren in staat om te groeien en zich te vermenigvuldigen door in twee te delen (info 4.2). Evolutie van de protocel
Twee theorieën verklaren het ontstaan van de protocellen. volgens de oersoeptheorie ontstond het leven in een organische soep aan het oceaanoppervlak. de ijzer-zwavelwereldtheorie stelt dat het leven ontstond in de diepzee rond warmwaterbronnen in de buurt van ijzer- en zwavelmoleculen. beide theorieën geven aan dat er in de eerste oceanen vetachtige stoffen gevormd werden. sommige van deze stoffen, lipiden, zijn in staat om belvormige structuren of zogenaamde liposomen te vormen. die liposomen konden een omhulsel vormen rondom de genetische moleculen in de diepzee. Zo ontstonden 4 miljard jaar geleden de eerste primitieve cellen of zogenaamde protocellen. dit moment kan gezien worden als het moment waarop het leven op aarde ontstaan is. Info 4.2
2.
geïntegreerd leerplan 3u
Info 4.2a Een delende protocel met inwendig het genetische materiaal
Evolutie van de protocel
Evolutie van protocel naar prokaryote cel De protocellen waren verschillend van vorm, levensduur en inhoud. Door de aanwezigheid van verschillende protocellen ontstond er onderling meer concurrentie voor de levensnoodzakelijke moleculen. De protocellen met de beste aanpassingen of adaptaties aan hun omgeving konden zich vermenigvuldigen en bleven bestaan. De minder goed aangepaste protocellen verdwenen geleidelijk. Het mechanisme achter die strijd om te overleven wordt het proces van natuurlijke selectie genoemd. Door het proces van natuurlijke selectie ontstonden uit de protocellen de prokaryote cellen. Zij bezaten een celwand, een celmembraan en cytoplasma met vrij zwevend genetisch materiaal (info 4.3). De eerste prokaryote cellen voedden zich met organische moleculen. We noemen hen heterotrofe organismen. Ook mensen (Homo sapiens) zijn een voorbeeld van een heterotroof organisme.
Info 4.
de prokaryote cel
HOOfdsTuk 4 • vOrMing vAn dE gEOsfEEr, HydrOsfEEr, ATMOsfEEr En biOsfEEr
2
Uit die heterotrofe prokaryoten evolueerden organismen die in staat waren om zelf in hun energiebehoefte te voorzien (autotrofe organismen). De autotrofe prokaryoten gebruikten kleine moleculen zoals diwaterstofsulfide (H2S) en koolstofdioxide om met behulp van zonne-energie energierijke stoffen zoals glucose (C6H12O6) te vormen. Deze reactie wordt het fotosyntheseproces genoemd. Het aantal autotrofe prokaryoten nam toe, waardoor er steeds meer concurrentie was voor de molecule diwaterstofsulfide. Onder invloed van deze concurrentie evolueerde het fotosyntheseproces naar een systeem waarbij water werd gebruikt in plaats van waterstofsulfide. Bij dit nieuwe fotosyntheseproces werd O2 als afvalstof aan de omgeving afgegeven. De oceanen en atmosfeer werden ‘vervuild’ met O2. Aangezien voor fotosynthese zonlicht noodzakelijk is, bevonden de autotrofe prokaryoten zich eerder aan het oceaanoppervlak en niet meer in de donkere diepzee. Die autotrofe prokaryoten vormden in ondiepe lagunes zogenaamde stromatolieten (info 4.4). geïntegreerd leerplan 3u
Stromatolieten en cyanobacteriën
3,45 miljard jaar geleden ontstonden in de ondiepe delen van de West-Australische oceanen ophopingen van fotosynthetiserende prokaryoten (info 4.4a), de cyanobacteriën. Deze ophopingen worden stromatolieten genoemd (info 4.4b). De naam werd afgeleid van de oud-Griekse woorden lithos (= steen) en stroma (= laag). Stromatolieten werden langzaam uit fijne laagjes kalk opgebouwd, ongeveer 0,1 mm per jaar.
Info 4.4a Stromatolieten in Shark Bay, Australië
Info 4.4b Cyanobacteriën (Anabaena sp.)
Info 4.4 Stromatolieten en cyanobacteriën
2.4
Evolutie van prokaryote naar eukaryote organismen Lange tijd domineerden de prokaryote organismen het leven op aarde. Gedurende die periode werd er langzaam O2 aan de atmosfeer toegevoegd, als bijproduct van het fotosyntheseproces. Onder invloed van bliksem en uv-licht werd een deel van dit O2 omgevormd tot O3. De ozonmoleculen verzamelden zich als een dun deken aan de buitenkant van onze atmosfeer: de ozonlaag. Deze laag houdt de gevaarlijke uv-straling voor een belangrijk deel tegen. Door die daling aan uv-straling op het aardoppervlak werd het oceaan- en landoppervlak beter geschikt voor levende organismen. Hierdoor kreeg de evolutie weer meer mogelijkheden. celmembraan (met celwand) mitochondrium (info 4.6) chloroplast of bladgroenkorrel (info 4.7) celkern
2,6 miljard jaar geleden evolueerde de prokaryote cel verder naar een nieuw celtype dat groter en complexer was. De meest opvallende vernieuwing was de celkern. Het nieuwe celtype werd de eukaryote cel (Grieks: eu = wel en karyon = kern) genoemd (info 4.5). De eukaryote cel bevatte ook andere speciale celonderdelen of celorganellen. Celorganellen zijn onderdelen in de cel die elk hun eigen specifieke vorm en functie hebben. De celorganellen die energie aanleveren zijn de mitochondriën (info 4.6) en chloroplasten of bladgroenkorrels (info 4.7).
Info 4.5 Basisstructuur van de eukaryote cel
26
THEMA • Ontstaan van de geosfeer, atmosfeer, hydrosfeer en biosfeer
Info 4.6 Elektronenmicroscopische foto van een mitochondrium
2.5
Info 4.7 Elektronenmicroscopische foto van een chloroplast of bladgroenkorrel
Evolutie van één- naar meercelligheid: het ontstaan van complexe organismen De volgende grote stap in de evolutie van het leven op onze planeet was het ontwikkelen van meercellige organismen. Uit de kolonies van eencellige eukaryoten ontstonden de eerste meercellige eukaryote organismen. Door het proces van natuurlijke selectie ontstond er een grote variatie aan eencellige en meercellige eukaryoten in de oceanen. Zowel de autotrofe als heterotrofe prokaryoten waren bovendien ook in staat om het landecosysteem te koloniseren. Een ecosysteem is het geheel van alle biotische en abiotische factoren in een bepaalde overeenkomstige omgeving zoals een woestijn- of naaldwoudecosysteem. Die landkolonisatie was mogelijk door: • het ontstaan van een dampkring; • de aanwezigheid van zuurstofgas (1 %) in de atmosfeer; • een meer afgekoelde aardkorst.
Hoofdstuk 4 • Vorming van de geosfeer, hydrosfeer, atmosfeer en biosfeer
27