10/10/2012
Geschiedenis
Systeem Aarde 2. Geschiedenis en eerste stappen evolutie Biosfeer
Klassieke oudheid
Thales van Milete (6de eeuw BC): alles is water; geologische processen zijn geen boven‐natuurlijke ingrepen Empedocles (5de eeuw BC) aarde, water, lucht, vuur
Democritus (5de eeuw BC): alle materie opgebouwd uit atomen. Verklaringen voor aardbevingen, vulkanisme, watercyclus, erosie, sedimentatie Aristoteles (4de eeuw BC): schelpen in gesteente lijken op recente schelpen. Land en zee bewegingen; geologische tijd
Theophrastus (leerling van Aristoteles) eerste boek over mineralogie
Geschiedenis
Renaissance
Nicolaus Steno (Niels Stensen; 1638‐1687) Stratigrafische principes
Geschiedenis
Leonardo da Vinci 1452‐1519) Landschapvorming, water, fossielen
Georgius Agricola (1490‐1555) De Re Metallica De Natura Fossilium
1
10/10/2012
Steno’s principes
Geschiedenis
•
het principe van superpositie: jongere lagen liggen over oudere
•
het principe van oorspronkelijke horizontaliteit: gesteentelagen werden oorspronkelijk horizontaal afgezet
•
het principe van laterale vervolgbaarheid: gesteentelagen lopen in alle richtingen evenwijdig aan de gelaagdheid door.
Geschiedenis
James Hutton (1726‐1797) Geologische tijd
Siccar Point,Schotland
2
10/10/2012
Geschiedenis
Hutton and Playfair, 1788
We often said to ourselves, What clearer evidence could we have had of the different formation of these rocks, and of the long interval which separated their formation, had we actually seen them emerging from the bosom of the deep? We felt ourselves necessarily carried back to the time when the schistus on which we stood was yet at the bottom of the sea, and when the sandstone before us was only beginning to be deposited, in the shape of sand or mud, from the waters of a superincumbent ocean. An epoch still more remote presented itself, when even the most ancient of these rocks, instead of standing upright in vertical beds lay in horizontal planes at the bottom of the sea and was not yet disturbed by that immeasurable force which has burst asunder the solid pavement of the globe. Revolutions still more remote appeared in the distance of this extraordinary perspective. The mind seemed to grow giddy by looking so far into the abyss of time; and while we listened with earnestness and admiration to the philosopher who was now unfolding to us the order and series of these wonderful events, we became sensible how much farther reason may sometimes go than imagination can venture to follow."
William Smith (1769‐1839). Stratigrafie, correlatie mbv fossielen, eerste geologische kaart van Engeland
Geschiedenis
Geschiedenis
Charles Lyell 1797‐1875 Boek: Principles of Geology 1830 ‐ 1833
‘De kaart die de wereld veranderde’
3
10/10/2012
Geschiedenis
Charles Darwin (1809‐1882) Voyage of the Beagle 1831‐1836 Origin of species (1859) Geologie: Vulkanische eilanden Koraalriffen Zuid Amerika
Frederic Church, 1862
Louis Agassiz, 1807‐1873 Glaciale theorie (1840)
Geschiedenis
Frederic Church, 1861
4
10/10/2012
Alfred Wegener (1880‐1930) Plaattektoniek
Geschiedenis
Geschiedenis
1915 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 1924 Die Klimate der geologischen Vorzeit
Geschiedenis
Geschiedenis
James Lovell, 1968
5
10/10/2012
James Lovelock (1919- ) GAIA
Geschiedenis
Geschiedenis
GAIA
Kalkalgen: Emiliania huxleyi DMS: Dimethylsulfide CCN: Cloud Condensation Nuclei
De vijf sferen De vijf sferen Ontstaan van ons zonnestelsel Kenmerken van Planeet Aarde Studie van de aarde: disciplines Geschiedenis van de Aardwetenschappen Archieven en gereedschap
6
10/10/2012
Systeem Aarde: interactie van de sferen en de evolutie van de biosfeer • Onstaan van de Aarde: 4.6 miljard jaar • Eerste leven: 3.6 miljard jaar in het Archaicum • Hoe hebben de ecosystemen op Aarde zich ontwikkeld? • Wat was de rol van de sferen? • Welke parameters speelden een rol? – – – – – –
Water Chemie Atmosfeer Klimaat Tektoniek Leven
Ontstaan en evolutie van de sferen – Atmosfeer: van primaire naar secundaire atmosfeer • H en He • CO2, N • N en O2 – Aanvankelijk vijandig – Vorming ozonlaag g g • Menselijk ingrijpen: broeikas – Hydrosfeer: van gasvormig naar vloeibaar naar ijs • Kometen, kristalwater – Aanvankelijk vijandig (geen zuurstof) • Menselijk ingrijpen: eutroficatie, verzuring • Afsmelten ijskappen, zeespiegel
Ontstaan en evolutie van de sferen – Lithosfeer: van vloeibaar tot vast (cyclus) • Afkoelen • Vulkanisme • Plaattektoniek • Aardbevingen, land/zeeverdeling – Biosfeer: van marien naar land naar de lucht • Cyanobacteria, zuurstofproductie • Van een‐ naar meercellig • Biomineralisatie • Leven aan land • Massa extincties • De mens, • Overbevolking, voedselproblemen, ontbossing, biodiversiteit
7
10/10/2012
Geologische tijdschaal
Evolutie Biosfeer: stap 1 (3.6 ‐ ~ 2 miljard jaar)
Eencelligen zonder kern (prokaryoten) Vormen mat‐strukturen Alle leven exclusief in zee
Atmosfeer: CO2, geen ozon laag Hydrosfeer: zuurstofloze oceanen Lithosfeer: afgekoeld Biosfeer: primitief, eencelligen Eerste leven
Eerste leven
deoxyribonucleic acid (DNA) bevat de genetische informatie ribonucleic acid (RNA) kopieert genetische informatie van DNA
8
10/10/2012
Eerste leven Stanley Miller (1953): • CH4 , H2, H2O, and NH3 + electrische vonk – ureum (CO(NH2)2), – waterstof cyanide (CHN), – azijnzuur(CH3COOH) – melkzuur (CH3COH2COOH)
Astrobiologie
Curiosity op Mars Augustus 2012
De eerste levensvormen op aarde waren eencelligen: Archaea. Daarna volgden bacteria, deze vormden dikke matten, stromatolieten, en produceerden zuurstof. Prokaryoten: geen celkern
9
10/10/2012
Eerste leven
Vele microben zijn extremofielen (leven in fysisch of geochemisch extreme milieu’s)
Celstructuur archaea en bacteria (rechts)
Extremofielen‐Archaea
• • • • • • • •
Acidofiel: pH <3 Endoliet: leeft in gesteenten Halofiel: bij hoge zoutgehaltes Hyperthermofiel: bij temperaturen >80 C Metalotolerant: bij hoge zware metalenconcentraties Pschychro/cryofiel: bij temperaturen < 15C Radioresistent: verdraagt nucleaire straling Xerofiel: verdraagt extreme droogte
10
10/10/2012
Deep‐sea vents
Cryptoendolith
11
10/10/2012
North Pole
Stromatolieten
12
10/10/2012
Fossiele (3.6 miljard jaar) stromatolieten van North Pole
Shark’s Bay (Hamelin Pool)Australia
Shark’s Bay, Australia
North Pole stromatolieten
Stromatolieten, cyanobacteria Zuurstof produktie
BIF: Banded Iron Formation IJzeroxiden
13
10/10/2012
2H2S + CO2 → (CH2O) + H2O + 2S Formaldehyde
Belangrijkste bijdrage van de Biosfeer: Fotosynthese!!
Evolutie Biosfeer: stap 2. Evolutie eukaryoten – met celkern‐ (~ 2 – ~0.7 miljard jaar) Planten: primaire producenten Meercellig leven Algen‐mat Algen mat ecosysteem Nog steeds alle leven in zee
Atmosfeer: CO2; 1% vrije zuurstof, geen ozonlaag Hydrosfeer: vrij giftig Lithosfeer: drijvende kontinenten Biosfeer: primitief
14
10/10/2012
Archaea > Eucaryoten?
Eucaryote celstructuur (met celkern)
15
10/10/2012
Grote stap: van eencellig naar meercellig Eukaryoten (met celkern) Grypania spiralis 1.8 miljard jaar (Michigan)
Chlamydomonas
Eudorina
Pandonna
Volvox
Evolutie Biosfeer: stap 3 Snowball Earth (750‐650 miljoen jaar) Bi‐lateraal and radiaal leven Algen mat ecosystemen Meercellig leven Eerste dieren (of eerder?) Eerste dieren (of eerder?) Alle leven in zee Atmosfeer: CO2, O2 Hydrosfeer: zuurstof in de oceanen Lithosfeer: supercontinent, ijsbedekking Biosfeer: primitief
16
10/10/2012
Lake Vostok
17
10/10/2012
18
10/10/2012
Evolutie van de biosfeer stap 4: De Cambrische Explosie en Biomineralisatie (543 m.j)
spons p Choanoflagellaat
Dicksonia (radiaal)
Atmosfeer: %CO2, 20% O2 Hydrosfeer: zuurstofrijk, opwarmend Lithosfeer: opbrekend superkontinent Biosfeer: explosie van leven
Spriggina (bilateraal)
Biomineralisatie Proces waarbij organismen mineralen vormen (skelet, erts) • • •
Waarom een skelet Waarom juist toen? Hoe veranderde biomineralisatie Systeem Aarde? Hoe veranderde biomineralisatie Systeem Aarde?
Burgess Shale fauna
19
10/10/2012
Skelet chemie Calciumfosfaat Calciumfosfaat (tanden, botten)
Calciumcarbonaat Calciet (schelpen) Aragoniet (koralen) Hoog/laag Mg calciet (algen) Biogeen silicaat (sponzen) Sulfaten (Sr, Ba) IJzeroxiden
Calciumcarbonaat Koralen Mollusken (twee‐kleppigen, slakken) Plankton (foraminiferen, kalkalgen)
Chitine, verhard met calciumcarbonaat/fosfaat
Magnesium carbonaat Laag: brachiopoden, trilobieten Hoog: crinoiden H i id (zeelelies) ( l li )
Pissebed en trilobiet
20
10/10/2012
Crysomallon squamiferum
WELCOME TO THE ORTIZ LABORATORY @ MIT Nanomechanics of Structural Biological Materials
http://web.mit.edu/cortiz/www/
ijzersulfiden organische laag aragoniet
Radiolariet: kiezelskeletjes van radiolaria
Ertsvorming: mangaanknollen
21
10/10/2012
Crinoiden (zee‐lelie) kalksteen
Agnostus‐kalksteen: trilobieten
Diatomiet: kiezelalgen
Kalkigg nannoplankton p
Diatomeeën
Radiolaria
22
10/10/2012
Diatomeeën Coccolieten (kalkalgen)
Krijtkalk (kalkalgen)
Nummulietenkalk (Eoceen): eencelligen
23
10/10/2012
Kalk‐ en kiezel sedimenten
Bali strandzand: eencelligen
Mineraal vorming onder biologische controle: biomineralisatie
24
