Ursprung und Entwicklung des Universums: Kosmologie, Erde und Leben

Ursprung des Universums und Kosmologie

Definitionen und Alter

Universum

Das Universum umfasst alle im Raum vorhandene Materie und Energie. Der Teil, den wir beobachten können, wird als beobachtbares Universum bezeichnet.

Kosmologie

Kosmologie ist die Wissenschaft, die das Universum studiert.

Alter und wichtige Ereignisse

• Alter: Etwa 13,7 Milliarden Jahre.
• Wichtige Ereignisse (zur zeitlichen Einordnung):
  • Anfang des ägyptischen Reiches.
  • Geburt von Jesus Christus.
  • Entdeckung Amerikas.
  • Erscheinen unserer Spezies, Homo sapiens.

Maßeinheit

Um die Größe des Universums zu messen, wird das Lichtjahr verwendet, die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Zusammensetzung des Universums

Die Zusammensetzung ist wie folgt verteilt:

• 73% Dunkle Energie: Wirkt der Schwerkraft entgegen und beschleunigt die Expansion.
• 23% Dunkle Materie: Kann weder beobachtet noch elektromagnetische Strahlung emittiert oder reflektiert werden.
• 4% Atome (Beobachtbare Materie): Hauptsächlich Wasserstoff und Helium.

Struktur des Universums

Das Universum besteht aus Nebeln und Galaxien.

Nebel

Dies sind diffuse Ansammlungen von kosmischem Staub.

Galaxien

Dies sind Gruppen von Sternen und kosmischem Staub, die sich gemeinsam durch den Raum bewegen.

Stellare Überreste

Weißer Zwerg

Ein stellare Überrest, der entsteht, wenn ein Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat.

Roter Riese

Ein Stern, dessen Masse der Sonne ähnelt, der sich jedoch auf dem Weg zu einem Weißen Zwerg befindet.

Theorien zur Struktur und Entwicklung des Universums

Relativitätstheorie (Einstein)

Einstein postulierte, dass das Universum im Gleichgewicht gehalten wird. Ohne experimentelle Bestätigung kam er zu Schlussfolgerungen, die Astronomen später beobachteten. Theoretisch kann das Universum nicht ohne Körper unterschieden werden, die sich entweder in völliger Ruhe befinden oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Dies impliziert, dass die Gesetze der Physik überall im Universum gleich sind.

Konsequenzen der Relativitätstheorie

• Die absolute Zeit existiert nicht.
• Raum und Zeit sind Aspekte derselben Realität: die Raumzeit.
• Masse und Energie sind zwei Aspekte derselben Realität: E = mc².
• Licht wird durch Masse abgelenkt.

Urknalltheorie (Big Bang)

Nach dieser Theorie entstand das Universum aus einer großen Explosion, die die gesamte vorhandene Energie und Materie freisetzte. Die Theorie besagt, dass Galaxien aus der Explosion eines kosmischen Eis entstanden sind, das als ursprünglicher Kern (Ursache der Explosion) diente und aus Neutronen bestand.

Naturkräfte

• Die Schwerkraft.
• Die starke Kernkraft.
• Die elektromagnetische Kraft.
• Die schwache Kernkraft.

Steady-State-Theorie

Das Universum ist einheitlich und verändert sich nicht im Laufe der Zeit, seine Dichte bleibt konstant, da ständig neue Materie entsteht.

Pulsierende Universumstheorie

Abwechselnde Expansionen (Urknall/Big Bang) und Kontraktionen (Big Crunch) wiederholen sich ständig. In einem geschlossenen Universum würde die Schwerkraft die Expansion verlangsamen und eine Kontraktion verursachen, bis ein neues kosmisches Ei entsteht, das eine neue Expansion auslöst.

Zukünftige Entwicklung des Universums

• Offen: Das Universum dehnt sich unbegrenzt weiter aus.
• Geschlossen: Die Schwerkraft verlangsamt die Expansion und verursacht eine Kontraktion bis zur Form eines kosmischen Eis.

Form des Universums

Es gibt drei Modelle: sphärisch, hyperbolisch und flach (eben).

Entstehung der Erde

Die Erde entstand aus einem rotierenden Nebel:

1. Der große Nebel begann einen Kontraktionsprozess.
2. Ein Großteil der Materie kondensierte im Zentrum und bildete einen Stern oder eine Protosonne.
3. Um diesen Stern herum kondensierten kleinere Massen, aus denen sich verschiedene Planeten bildeten.

Ebenen der Erde

Die Erde besteht aus Atmosphäre, Hydrosphäre, Erdkruste, Mantel (oberer und unterer) und Kern (innerer und äußerer).

Geologie: Globale Tektonik

Plattentektonik

Die Erdkruste ist in mehrere Teile, die Lithosphärenplatten, unterteilt. Magma fließt unter diesen Platten, was deren Bewegung verursacht. Diese Platten bewegen sich auf einem Teil des Mantels, der Asthenosphäre genannt wird. Die Verschiebung wird durch Kollisionen zwischen den Platten verursacht.

Ränder der Platten

• Konstruktiv (divergierend).
• Destruktiv (konvergierend).
• Passiv (transformierend).

Die Bewegung der Platten verursacht Gebirgsbildung, Erdbeben, Tsunamis und Vulkanausbrüche.

Das Leben und seine Eigenschaften

Definition des Lebens

Leben ist das, was Vitalfunktionen ausführt.

Eigenschaften des Lebens

1. Handeln mit einer bestimmten Absicht:
   • Ernährung: Die Fähigkeit, fremde Materie und Energie aufzunehmen, um Vitalfunktionen zu entwickeln, zu wachsen und auszuführen. Ohne sie könnten Lebewesen sich nicht ernähren oder fortpflanzen.
   • Reproduktion: Die Fähigkeit, neue Individuen hervorzubringen.
2. Komplexe Zusammensetzung: Lebewesen bestehen aus organischer Materie (gebildet aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen) und anorganischer Materie (Mineralien, Gesteine, Wasser).
3. Zelluläre Organisation: Bestehen aus einer oder mehreren Zellen und sind somit einzellig oder mehrzellig.
4. Homöostase: Lebewesen erhalten ihr inneres Milieu relativ konstant, um äußeren Umwelteinflüssen entgegenzuwirken.
5. Vererbung: Anatomie und Physiologie basieren auf Nukleinsäuren.

Ursprung des Lebens

Theorie der Spontanerzeugung (Generatio Spontanea)

Diese Theorie besagte, dass einige Lebensformen aus unbelebten Materialien entstehen könnten (z. B. Schweiß, Schlamm). Sie wurde von Aristoteles vertreten (z. B. die Annahme, dass Aale aus Schlamm und Regen entstehen). Experimente von Redi widerlegten diese Theorie.

Koazervat-Theorie (Oparin)

Oparin argumentierte, dass die Entstehung des Lebens einer chemischen Evolution vorausging. Nach der Abkühlung der Erde bildete sich aus Wasserstoff, Wasser, Ammoniak usw. die Ursuppe, aus der organische Moleküle entstanden.

Koazervate

Mikroskopische Strukturen, gebildet durch eine Polymereinhüllung, die ein internes Milieu und Enzyme einschließen kann.

Protobiont

Der gemeinsame Vorfahre aller Lebewesen.

Aktualisierte Hypothese von Oparin

Die ursprüngliche Atmosphäre war nicht vollständig reduzierend, enthielt aber etwas Sauerstoff. Die heutige Atmosphäre enthält viel Neon. Die Freisetzung einiger schwerer Gase aus dem Erdinneren wird durch Meteoriteneinschläge verursacht. Die Protobionten bildeten zuerst Membranen, dann Koazervate, gefolgt von Genen, Proteinen und schließlich Enzymen.

Zelltypen

Prokaryoten

Zellen ohne Zellkern; ihre DNA ist frei im Zytoplasma verteilt.

Eukaryotische Zelle

Zellen mit einem Zellkern. Die Entwicklung von Prokaryoten zu einzelligen Eukaryoten begann vor etwa 1400 Millionen Jahren und dauerte 2300 Millionen Jahre an.