Näitus tutvustab meie planeedi Maa arengulugu alates päikesesüsteemi moodustumisest 4.57 miljardit aastat tagasi kuni elu ilmumise ja bioloogilise mitmekesisuse tekkimiseni

Näitus on valminud Euroopa Liidu projektide COST TD1308 “Origins and Evolution of Life in the Universe” and Erasmus+ projekti “European Astrobiology Campus” toetusel.

Näituse kuraatorid:Muriel Gargaud - astrofüüsika, CNRS-Bordeaux Ülikool; Purificación López-García -mikrobioloogia, CNRS-Paris-Sud Ülikool,; Hervé Martin - geokeemia, Clermont Ülikool, Ferrand; Thierry Montmerle – astrofüüsika, Pariisi Astrofüüsika Instituut; Robert Pascal - keemia, Montpellier Ülikool 2

Lähem informatsioon: “Young Sun, Early Earth and the Origins of Life”,Gargaud et al, Springer 2012.

1

Joonis 1 – Tauruse tähtkujus paiknev noor täht HH30. Selline nägi arvatavasti välja meie Päike vähem kui miljon aastat peale tekkimist. Keskosas on kaksik-ketta kujuline pöörlev ja tuuma poole tõmmatav gaasi-tolmupilv ning poolustelt ketta tasapinnasuhtes risti väljalendavad jugavoolud. Ketta raadius on umbes neli korda suurem meie tänapäevasest päikesesüsteemist.

Ligikaudu 4750 miljonit aastat tagasi

4.57 miljardit aastat tagasi hakkas kusagil meie Linnutee galaktikas toimuma tähtedevahelise gaasi ja tolmu kogunemine. Sellise gaasist ja kokkukleepunud tolmuosakestest koosneva pilve massi kasvamisel üle kriitilise piiri toimus raskusjõu mõjul gaasi-tolmupilve kokkuvarisemine.

Kokkuvarisenud pöörleva pilve keskmes moodustus algne tihedam tuum millest tekkis meie süsteemi kesktäht – Päike. Tuum kasvas tema ümber pöörlevast kettakujulisest gaasi-tolmupilvest sissetõmmatud osakeste ja gaasi arvelt kuni umbes sjatuhande aasta pärast kas vas tuuma mass piisavalt suureks protoPäikese tekkimiseks. ProtoPäikese kasvamine jätkus umbes miljoni aasta jooksul kui seda ümbritsevast õhenevast pilvest tõmmati gaasi ja tolmu järjest kiirenevalt selle keskmes suunas nii, et pöörleva tuuma poolustelt lendas osa kokkutõmmatavast ainest jugavooludena tuumast välja

Tähtedevahelisest pilvest PäikeseniPÄIKESESÜSTEEMI TEKKIMINE

2

Joonis 2. Fragment Allende meteoriidist, mis langes Mehhikos 1989. aastal. Allende meteoroid tekkis päikesüsteemi moodustumisel ja selle järgi on Päikesesüsteemi vanuseks määratud radioaktiivsete elementide lagunemiskiiruse meetodil 4.5685 miljardit aastat.

4570 kuni 4560 miljonit aastat tagasi

Kesktähe ümber tiirlevas gaasi ja tolmupilves hakkasid tekkima tänaste planeetide alged. Kuigi planeetide tekkimises on veel palju ebaselget, siis tõenäoliselt hakkasid kesktähe ümber tiirlevas pilves moodustuma tolmuterade tombud, mis kasvasid kokkupõrgetes kiiresti kuni kilometrise raadiusega kehadeks

Omavahel kokkupõrkudes ja liitudes moodustasid need nn planetosimaalid mõne miljoni aasta jooksul protoplanetaarsed kehad millede mass kasvas üle kümne korra suuremaks kui on tänase Maa mass ning mis hakkasid kiiresti koguma enda ümber pilves tiirlevat gaasi moodustades hiidplaneedid.

Kümne miljoni aasta .jooksul kadus kesktäheümber tiirlev tolmu-gaasipilv ja selle äärealadel olid tekkinud hiidplaneedid ning nende ja Päikese vahel tiirlesid Päikese ja hiidplaneetide tekkimisest järgi jäänud protoplaneedid (planetosimaalid) ja nende kokkupõrgetest laialipaiskunud tükid – asteroidid ja meteoroidid.

HiidplaneedidPLANEEDISÜSTEEMI TEKKIMINE

3

Joonis 3. Kuu moodustumine. Kümnete miljonite aastate jooksul peale Päikesesüsteemi tekkimist toimusid Päikest ümbritsevas gaasi-tolmupilves tekkinud planetosimaalide jõulised kokkupõrked. Osa nendes plahvatustes tekkinud materjalist jäi tiirlema suurema protoplaneedi ümber ning nende kogunemisel said moodustuda planeetide ümber tiirlevad kuud. Arvatavasti sündis Maa Kuu umbes 70 miljonit aastat peale Päikesesüsteemi tekkimist noore Maa ja ligikaudu Marsi suuruse protoplaneedi kokkupõrkes.

4560 kuni 4500 miljonit aastat tagasi

Hiidplaneetidest järgi jäänud kivimilisest protoplaneetidestmoodustusid Maa-tüüpi kivimilised planeedid: Merkuur, Veenus,Maa ja Mars. Nende moodustumine ühe harvematesplanetosimaalide kokkupõrgetes kestis arvatavasti kümneidmiljoneid aastaid.

Viimane suurte protoplaneetide kokkpõrge toimus noore Maa jaMarsi suuruse protoplaneedi Theia vahel mille tulemusenamoodustus täna Maa ümber tiirlev Kuu.

Maa-tüüpi kivimiliste planeetide tekkiminePÄIKESESÜSTEEMI LAPSEPÕLV

4

Joonis 4. Asteroid 433 Eros NASA NEAR-Shoemaker satelliidifotol. Eros on väike (33 km pikkune) asteroididevööndi objekt. Need kehad tekkisid Päikesest piisavalt kaugel, et võimaldada vee jääna kondenseerumist ning olid arvatavasti 4,5 kuni 4,56 miljardit aastat tagasi toimunud Maa asteroidide-meteoroididega pommitamisel peamiseks vee allikaks.

4560 kuni 4500 miljonit aastat tagasi

Vesi toodi Maale kas kivimiliste planeetide moodustumise viimasesfaasis või vahetult peale selle lõppemist kui Maa oli piisavaltjahtunud vee säilimiseks planeedi pinnal.

Komeedid, mis koosnevad jääst ja tolmust võisid olla üheksallikaks. Siiski, komeetide vee koostis (vesiniku stabiilseteisotoopide 1H ja 2D suhe) näitab, et ainult kuni 20% Maal leiduvastveest võib olla kometaarset päritolu.

Seepärast on tõenäoline, et Maa ookeanides leiduv vesi toodi Maalenoore Maa moodustumise viimasel etapil asteroidide vööndistiirlevate planetosimaalidega või peale Maa moodustumist samasvööndist pärinevate asteroidide-meteoroididega.

Maavälised vee allikadVEE PÄRITOLU MAAL

5

Joonis 5. Skemaatiline läbilõige kaasaegse Maa siseehitusest – keskel tahke sisetuum, seda ümbritseb vedel välistuum ja paks vahevöö ning kõige ülemine õhuke kiht on ookeaniline ja mandriline maakoor.

4500 miljonit aastat tagasi

Päikesesüsteemi esimese 70 miljoni aasta jooksul tekkis homogeenne kivimilise ja metallilise materjali segust Maa.

Umbes 4500 miljonit aastat tagasi toimus metallilise raua ja kivimilise silikaatse materjali eraldumine. Suurema tihedusega raud kontsentreerus Maa keskele ja moodustas tuuma. Väiksema tihedusega silikaatsed kivimid moodustasid planeedi välimise kesta – vahevöö.

Tahke sisetuuma pöörlemine vedelas oleks välistuumas tekitab Maa magnetvälja, mis tänaseni kaitseb Maa pinda hävitava päikesetuule eest.

Maa akretsioonil ning tuuma ja vahevöö eraldumisel vallandunud gravitatsiooniline energia koos radioaktiivsete elementide lagenimisel eralduva soojusega põhjustasid vahevöö täieliku ülessulamise ning Maa pinnale moodustus umbes 4500 miljonit aastat tagasi Maad kattev MagmaOokean.

Maa tuuma ja vahevöö eraldumine ja magmaookeani tekkimine

MAA DIFFERENTSEERUMISE ALGUS

6

Joonis 6. Arhaikumi tsirkoonid. Sarnased 4,4 miljari aasta vanused mineraalid leiti Austraalias Jack Hills meta-konglomeraatidest. Tsirkoon mille keemiline koostis on ZrSiO4 on äärmisel vastupidav nii mehaaniliselt kui ka keemiliselt. Samuti sisaldab tsirkoon radioaktiivseid elemente nagu toorium ja uraan, millede lagunemine võimaldab määrata nende mineraalide vanust.

4400 miljonit aastat tagasi

Kuuma noore Maa tõttu oli kogu vesi aurustunud ja vedel vesi ning ookeanid said hakata moodustuma siis kui Maa pinnatemperatuur langes piisavalt veeauru kondenseerumiseks.

Vanimate, Austraaliast leitud 4300 kuni 4400 miljoni aasta vanuste mineraal tsirkooni hapnikuisotoopkoostise analüüs viitab vedela vee (võib olla ka ookeanide) esinemisele Maa väga varajases nooruses 4400 miljonit aastat tagasi. Need tsirkoonid näitavad samuti, et Maa pinnal võis moodustuda stabiilne graniitne kontinentaalne maakoor juba ainult 200 miljonit aastat peale Maa moodustumise algust.

Kontinentaalse maakoore ja vedela vee ookeaniga Maa oli potentsiaalselt asustatav juba 4400 miljonit aastat tagasi, aga see ei tähenda veel, et Maal leidus juba siis ka elu.

Arengutee elukõlbliku Maa suunas?

ESIMESED KONTINENDID, ESIMESED OOKEANID

7

Joonis 7. Schrödingeri meteoriidikraater Kuul, mis moodustus 3900 miljonit aastat tagasi. Selle kraatri diameeter on 320 km, aga see ei ole kaugeltki suurim meteoriidikraater Kuul. Suurima Maal osaliselt säilinud Vederfordi kraatri algne läbimõõduks on hinnatud kuni 300 km.

3900 miljonit aastat tagasi

Esimese 500 miljoni aasta jooksul peale Maa tekkimist langes järk-järguliselt planeetidevahelises ruumis tiirlevate kehade kokkupõrgete sagedus.

Siiski, ligikaudu 1700 suurt Kuu meteoriidikraatrit, mis kõik on dateeritud 3900 miljoni aasta vanuseks viitavad, et sellel ajal toimus erakordselt tihe Kuu meteoriitne pommitamine. Seda sünmust, Suur Pommitamine, seostatakse hiidplaneetide orbiitide nihkumisega tänapäevasele asendile.

Kuu kraatrite suuruse ja tiheduse järgi oleks Maa pidanud tekkima enam kui 22000 meteoriidikraatrit, neist 200 diameetriga suurem kui 1000 km.

Kui elu Maal eksisteeris enne Suurt Pommitamist, siis see pühiti Maalt minema või äärmisel juhul võisid säilida primitiivsed mikroorganismid ainult sügavates ookeanides ja maakoore kivimites, et Maa uuesti asustada Suure Pommitamise lõppemisel.

Ajutiselt elukõlbmatu Maa ?SUUR POMMITAMINE

The picture can't be displayed.

8

Joonis 8. Bakterite pooldumine nähtuna skaneerivas-elektronmikroskoobis. Kõige esimesedelusorganismid nägid arvatavasti välja samasugused nagu kaasaegsed bakterid.

4300 kuni 2700 miljonit aastat tagasi

Elu ilmus Maal mingil ajahetkel 4300 kuni 2700 miljonit aastat tagasi. Tõenäoliselt 3800 kuni 3500 miljonit aastat tagasi kui on teada esimesed oletatavad elutegevuse jäljed ja kivistunud organismide jäänused.

Sellel ajal moodustusid nii peamiselt lämmastikust, süsinikdioksiidist ja veest koosnevas atmosfääris toimivatele fotokeemilistele protsessidele, ookeanide põhja kuumaveeallikates toimivatele reaktsioonidele kui ka tänu süsinikkondriitsete meteoriitidega transporditud biomolekulide sissekandele esimesed orgaanilised kompleskmolekulid. Nende molekulide edasisel liitumisel ja kombineerimisel tekkisid esimesed isepaljunevad molekulid ja tekkisid esimesed rakud, millel olid olemas kolm rakkude põhiomadust – kest, ainevahetus ja molekuli informatsiooni edasikandev paljunemisüsteem, mis on aluseks looduslikul valikul põhinevale evolutsioonile.

Prebiootilisest keemiast esimeste rakkudeni

ELU TEKKIMINE MAAL

The picture can't be displayed.

9

Joonis 9. Vanimad tõestatult bioloogilist päritolu stromatoliidid Tumbianas, Austraalia on 2700 miljoni aasta vanused. Stromatoliite moodustavad kaltsiiti (CaCO3) eritavad komplekssed koloniaalsed mikroobsed organismid .

3500 kuni 2700 miljonit aastat tagasi

Vanimad organismid olid lihtsa ehitusega eeltuumsed rakud –prokarüoodid, mis hõivasid erinevaid elukeskondasid. Evolutsiooniliselt lahknesid eeltuumsed organismid kiiresti bakteriteks ja arhedeks. Bakterite ja arhede tekkimise ning lahknemisega kaasnes erineva ainevahetuse tüüpide tekkimine –fotosüntees, metanogenees jn. Fotosünteetilised bakterid sünteesivad orgaaanilist ainet süsinikdioksiidist kasutades energiaallikana valgust ja elektronide allikana (doonorina) H2S, Fe2+, H2 või hapnikulise fotosünteesi alguses ka H2O.

Esimesed laialt levinud ja settekivimites säilinud organismid olid stromatoliidid, kihilised orgaanilised moodustised, mis tekkisid kolooniana kooselanud eeltuumsetest organismidest, mis eritasid elutegevuse käigus mineraal kaltsiiti. Vanimad stromatoliidilaadsed moodustised on dateeritud 3450 miljoni aasta vanuseks, kuid nende teke ja bioloogiline päritolu ei ole kindel. Vanimad tõestatud bioloogilise päritoluga stromatoliidid on 2700 miljoni aasta vanused.

Elu esimesed jäljed ja eeltuumsete organismide mitmekesisuse tekkimine

BIOLOOGILINE EVOLUTSIOON ALGAS

The picture can't be displayed.

10

Joonis 10. Erinevad tsüanobakterid – kokkoidsed (ümarad) ja niitjad. Need bakterid toodavadoma elutegevuse jäägina hapniku ja panid aluse hapnikulise Maa tekkimiseks.

2400 miljonit aastat tagasi

Hapnikulise Maa tekkimine on otseselt seotud elu arenguga. Rühmal bakteritest – tsüanobakteritel – ilmnes evolutsiooniliselt fotosünteesi võime, mis kasutab energiaallikana valgust lõhkudes H2O molekule ning vabastades bakterite elutegevuse jäägina vaba hapniku.

Hapniku ilmumine tõi kaasa ka kiired muutused mikroobses elus ning Maa pinnal (ookeanide pinnakihtides) ilmusid aeroobsed (hapniku hingamisega) organismid. Anaeroobsed organismid, mis ei ole võimelised hingama hapniku või ei suuda seda taluda liikusid hapnikuvaegusega keskkondadesse, näiteks setetesse.

Hapnik, mis jäi üle aeroobsest hingamisest ja oksüdeerumisprotsessides hakkas akumuleeruma ookeanides ja atmosfääris tekitades esimesi oksüdeeritud setendeid nagu raudkvartsiidid.

Elu mõju Maa keskkondadele

HAPNIKULISE ATMOSFÄÄRI JAOOKEANI TEKKIMINE

The picture can't be displayed.

11

Joonis 11. Tappania plana on üks vanimaid ekarüoodi mikrofossile 1500 miljoni aastavanustest Roper Group setendistest Austraalias.

2000 miljonit aastat tagasi

Tuumsete organismide, eukarüootide, rakk koosneb tuumast, missisaldab organismi pärilikusainet, orgnellidest nagu mitokonder,milles toimub hapniku hingamine ja taimedes ka kloroplastidestkus toimub fotosüntees.

Tuumsed rakud tekkisid arvatavasti varasemate eeltuumsetebakterite sümbioosil üheks organismiks. Esimesed eukarüoodidolid üherakulised orgganilisest ainest membraaniga lihtsadorganismid, mis olid välimuselt sarnased eeltuumseteleorganismidele. Siiski olid juba esimesed eukarüoodid tavaliseltsuuremad kui prokarüoodid ja eristusid oma ornameteeritudrakuseina poolest. Vanimad eukarüootide mikrofossilid (akritarhid)ilmuvad 1500 kuni 1800 miljonit aastat tagasi.

Esimesed tuumaga rakud ja nende kivistunud jäljed

TUUMSETE ORGANISMIDE ILMUMINE

12

Joonis 12. Umbes 1200 miljoni aasta vanune Bangiomorpha pubescens oli arvatvasti üks esimesi hulkrakseid organisme – punavetikas.

1200 kuni 540 miljonit aastat tagasi

Esimeste hulkraksete organismide fossiliseerunud jäänused on ligikaudu 1200 miljonit aastat vanad, kuid enamus hulkrakseid organisme (näiteks vetikad ja seened) ilmuvad ajavahemikus 1000 kuni 750 miljonit aastat tagasi.

Valdav enamus esimesi loomade kivistunud jäänuseid on 550 kuni 600 miljonit aastat vanad. Nende hulgas on kuulus Ediacara fauna, mis koosneb nii mikroskoopilistest fossiilidest kui ka esimestest väga mitmekesise kehaplaaniga pehmekehaliste organismide makrofossiilidest.

Mineraalset skelettimoodustavad organismide ja organismis erinevat funktsiooni täitvate rakulise struktuuride tekkimine toimub vahetult enne Kambriumi ajastu algust 540 miljonit aastat tagasi.

Taimed tekkivad märgatavalt hiljem ja esimesed taimede spoorid on teada 440 miljoni aasta vanustest kivimitest.

Esimesed jäljed vetikatest, seentest ja loomadest

ESIMESTE HULKRAKSETEORGANISMIDE ILMUMINE

13

Joonis 13. 505 miljonit aasta tagasi ujus Kambriumi meredes kuni 45 cm pikkune kiskjaAnomalocaris

540 miljonit aastat tagasi

Enamus Ediacara faunast kaob teadmata põhjustel Kambriumiajastu alguseks kui toimub plahvatuslik elu mitmekesistumine ningerinevat tüüpi skeletistruktuuride, väliskestade, kodade ja jäsemeteareng.

Selline kiire evolutsiooniline lahknemine oli põhjustatud arvatavastikiskluse ja kaitsefunktsioonide tekkimisest ja erinevateelukeskkondade hõivamisest millega paralleelselt toimusprokarüootide ja üherakuliste eukarüootide evolutsioon jamitekesistumine.

Elu mitmekesisuse tekkimine – skeleti, kestade ja kodade arenemine

KAMBRIUMI PLAHVATUS

The picture can't be displayed.

14

Joonis 14. Tänapäevase elu mimekesisus. Prokarüoodid jagunevad kahte suurde rühma –bakterid ja arhed ning eukarüoodid, sealhulgas hulkraksed organismid moodustavadkolmanda suure rühma.

540 miljonitst aastast tänapäevani

Viimase 540 miljoni aasta jooksul on toimunud makroskoopilise elu kiire laienemine, mis sai alguse ookeanides ja liikus mandritele. Selle ajaperioodi vältel on toimunud rida kiireid ja drastilisi keskkonnamuutusi – jääajad, intensiivse vulkanismi perioodid ja meteoriidiplahvatused, mis on esilekutsunud mitmeid, peamiselt makroeluvormide, väljasuremissündmusi.

Chixulubi impact, mis toimus 65 miljonit aastat tagasi hävitas enamuse dinosaurustest ja võimaldas tänapäevaste imetajate esilekerkimist, mille ühest harust, primaatidest arenes umbes 200 000 aasta tagasi Homo sapiens. Uute rühmade ja liikide tekkimisega on toimunud kogu elu pidev evolutsioneerumine ja see kestab edasi kuni elu eksisteerib ...

Bioloogiline evolutsioon jätkub ...

MAKROSKOOPILISE ELU ARENEMINE

4400 MaEsimesed kontinendid ja ookeanid.

Asustuskõlblik maa?

4500 MaMaa diferentseerumise algus – tuuma ja vahevöö

eraldumine ning magmaookeani teke

4560 kuni 4500 MaPäikesesüsteemi lapsepõlv ja kivimiliste planeetide

tekkimine

4579 kuni 4560 MaPäikesesüsteemi sünd ja hiidplaneetite tekkimine

4570 MaPäikesesüsteemi algus – tähtevahelisest gaasi-

tolmupilvest tähekettani

4560 kuni 4500 MaMaavälise vee transport Maale

4100 kuni 3900 MaSuur Pommitamine Asustuskõlbmatu Maa?

3500 kuni 2700 MaBioloogilise evolutsiooni algus. Esimesed elu jäljed

2400 MaHapnikulise Maa tekkimine

2000 MaEsimeste tuumsete rakkude, eukarüootide ilmumine

1200 kuni 540 MaEsimeste hulkraksete organismide ilmumine – vetikad,

seened, loomad

540 MaKambriumi Plahvatus

Evolutsiooniline mitmekesistumine

4300 kuni 2700 MaPrebiootilisest keemiast esimeste rakkudeni

540 Ma tänapäevaniMakroskoopilise elu laienemine. Evolutsioon kestab

Aeg miljonites aastates enne kaasaega (Ma)

ARHAIKUM

PROTEROSOIKUM

F ANERSOSOIKUMH

ADAIKUM

HADAIKUM