Fossilien

Vergangene Klimaverhältnisse und Ökosysteme verstehen



Eine Fallstudie aus dem Mio-Pliozän-Vorkommen im West Coast Fossil Park, Südafrikavon Alexandra Guth, Michigan Technological University

Eine Umgebung rekonstruieren: Wissenschaftler kombinieren viele Beweise, um die Vergangenheit der Erde zu verstehen. Fossilien (A) zeigen spezifisch, welche Tiere in einer Region lebten, während die die Knochen umgebenden Sedimente wichtige Hinweise auf die Ablagerungssituation geben. Knochen können weiter auf ihre Isotopenzusammensetzung untersucht werden, die davon abhängt, welche Pflanzen das Tier zu Lebzeiten aufgenommen hat (B). Darüber hinaus sind aus Pflanzen freigesetzte Pollen in der Regel leicht in den geologischen Aufzeichnungen zu finden und liefern detaillierte Aufzeichnungen über vergangene Blütengemeinschaften. All diese Beweise können kombiniert werden, um detaillierte Rekonstruktionen von Umgebungen zu erstellen, die vor Millionen von Jahren existierten (C).

West Coast Fossil Park: Die Karte zeigt die Höhe Afrikas (1) mit der erweiterten Region Westkap in Südafrika (2). Auf Karte 2 ist der südliche orangefarbene Stern die Position von Kapstadt, und der nördliche blaue Stern repräsentiert den West Coast Fossil Park. Die Teilmenge 3 wird erweitert, um die gegenwärtigen Meeresspiegelbedingungen (3A) und die Situation vor 5,2 Millionen Jahren zu zeigen, als der Meeresspiegel ~ 30 Meter höher war als heute (3B). Zu dieser Zeit befand sich der Standort des Fossilienparks in der Nähe der Küste, an der der alte Berg in den Atlantik mündete. Die Grundkarte für die Höhe Afrikas stammt aus dem CleanTOPO2-Datensatz, und die Satellitenbilder stammen aus dem Landsat GeoCover der NASA aus dem Jahr 2000.

Einführung

Woher wissen wir, wie die alte Erde war, bevor die Menschen dort waren, um die Bedingungen zu beobachten und aufzuzeichnen? Eine der Hauptmethoden für Geowissenschaftler, um vergangene Klimazonen und Ökosysteme zu enträtseln, ist die Durchführung detaillierter Untersuchungen von Lagerstätten, die die erhaltenen Überreste antiker Pflanzen und Tiere enthalten.

Die Bildung von Fossilien ist im Allgemeinen selten. Daher ist es wissenschaftlich wertvoll, Taschen mit konzentrierten oder sehr detaillierten Fossilienresten zu finden. Fossile Vorkommen, die sich durch ihre Vielfalt oder Detailliertheit auszeichnen, werden als Lagerstätten bezeichnet und können in zwei Haupttypen unterteilt werden.

Konservat-Lagerstätten sind Orte, an denen sich die Feinheiten eines Organismus befinden konserviert (Beachten Sie die Ähnlichkeit zwischen dem deutschen und dem kursiven englischen Äquivalent). An solchen Stellen werden die Weichteile eines Organismus, die normalerweise zerfallen, als Abdrücke oder Kohlenstoffilme aufgezeichnet. Bekannte Beispiele für solche Vorkommen sind der Burgess Shale in British Columbia und die Green River Formation in den westlichen USA.

Die zweite Sorte ist die Konzentrat-Lagerstätte, wo es eine große gibt Konzentration von Knochen. Während diese Standorte nicht viele Details der Organismen liefern, können sie einen Blick auf ein uraltes Ökosystem werfen, indem sie die Knochen von Tieren konzentrieren, die normalerweise über ein weites Gebiet verteilt sind. Beispiele hierfür sind die Morrison Formation-Aufnahmen im Jura-Alter am Dinosaur National Monument in Utah und das 15 bis 16 Millionen Jahre alte Sharktooth Hill Bone Bed in Kalifornien.

Ein weiteres Beispiel für ein Konzentrat-Lagerstätten findet sich in den Sedimentablagerungen der Langebaanweg-Formation im West Coast Fossil Park in Südafrika. Die zahlreichen Überreste in diesen fossilen Betten liefern wichtige Informationen über die biologischen Gemeinschaften und das Klima der Region vor etwa 5 Millionen Jahren.

Site Discovery & Development

Ursprünglich eine Phosphatmine, wurden die Fossilien Ende der 1950er Jahre entdeckt. Phosphate werden heute hauptsächlich für die Verwendung in Düngemitteln abgebaut, und Phosphorsäure wird üblicherweise in Erfrischungsgetränken verwendet. Diese Gesteine ​​wurden jedoch ursprünglich für den Einsatz in Rüstungsgütern des Zweiten Weltkriegs abgebaut.

Sedimentphosphatablagerungen werden in Regionen mit hoher maritimer biologischer Produktivität wie den modernen Festlandsockeln erzeugt. Aufgrund der sich ändernden Bedingungen, in diesem Fall des Meeresspiegels, sind Regionen, die zuvor unter Wasser lagen, jetzt an Land ausgesetzt und für die Erkennung und Ausgrabung zugänglich. Der aktive Abbau der Fossilien wurde 1993 eingestellt, als die Mine geschlossen wurde. Das Gebiet, in dem Fossilien entdeckt wurden, wurde als nationales Denkmal (bald als nationales Kulturerbe anerkannt) ausgewiesen. Die Bergbautätigkeit hat möglicherweise 80% der Fossilien an diesem Standort zerstört, es sind jedoch noch schätzungsweise 1 Million Exemplare in den Sammlungen des Iziko South African Museum erhalten.

Phosphatgestein mit organischem Material: Eine Zentimeter-Skala neben phosphatiertem Gestein. Die roten Körner repräsentieren das phosphatierte organische Material. Foto von Alexandra Guth.

Bildung einer Konzentrat-Lagerstätte

Es ist üblich, sich den Fossilisierungsprozess als ein einziges Tier vorzustellen, das stirbt und dann an Ort und Stelle begraben wird. Während einige Tiere direkt auf den Überschwemmungsgebieten starben, wurden viele der Überreste des Fossilienparks an der Westküste im Laufe der Zeit an diesem einzigen Ort vom Wasser bewegt und konzentriert.

Wahrscheinlich mündete der "Vorfahr" des Bergflusses in der Nähe des heutigen Parks in den Atlantik, als die Knochen deponiert wurden. Eine Offshore-Sandbank hat möglicherweise verhindert, dass die Überreste ins Meer gespült werden, und hat möglicherweise gleichzeitig dazu beigetragen, die vom Ozean angespülten Überreste aufzufangen.

Eine Umgebung rekonstruieren

Unterschiedliche Tiere und Pflanzen haben unterschiedliche Lebensraumbedürfnisse; Die Identifizierung der Überreste, um festzustellen, welche Gemeinschaft gegenwärtig ist, liefert somit Hinweise auf vergangene Ökosysteme. Diese Aufgabe wird schwieriger für Ablagerungen, die eine völlig ausgestorbene Fauna darstellen (wie die Dinosaurier der Jurassic Morrison-Formation), aber die Überreste im West Coast Fossil Park sind "nur" 5 Millionen Jahre alt. Während die meisten im Park erhaltenen Arten selbst ausgestorben sind, sind sie eng mit modernen Arten verwandt.

Zur Identifizierung eines Tieres benötigen Sie nicht 100% der Knochen einer Person, um es sicher zu identifizieren. Dies ist besonders wichtig, da häufig keine ganzen Skelette gefunden werden, insbesondere in Konzentrat-Lagerstätten, in denen die Knochen disartikuliert und transportiert wurden. Es gibt oft eine zusätzliche Vorspannung bei der Konservierung, bei der kleine empfindliche Knochen während des Transports zerstört werden, während dickere und robustere Knochen eher intakt bleiben. Trotz dieser Schwierigkeiten sind Paläontologen sehr erfolgreich darin, Knochen zu klassifizieren und zu identifizieren, um sich ein Bild von der alten Gemeinde zu machen.

Die im West Coast Fossil Park gefundenen Tiere weisen darauf hin, dass sich das Gebiet in der Nähe der Grenze zwischen Land und Ozean befand, da sowohl Meerestiere (z. B. Robben-, Megalodon-, 4 Pinguinarten) als auch Landsäugetiere (z. B. Kurzhalsgiraffe, Erdferkel) betroffen waren (Hyäne, Nilpferd, Mammut, Antilope, Dreifingerpferd, Säbelzahnkatze) wurden zusammen gefunden. Das zusätzliche Vorhandensein von Fröschen (mindestens 8, möglicherweise bis zu 12 Arten sind in den Lagerstätten vertreten) weist darauf hin, dass frisches Wasser gestanden haben muss. Während viele Froscharten eine gewisse Toleranz gegenüber Salzwasser aufweisen, gibt es keine bekannten Amphibien, die rein marine Lebensräume bewohnen.

Knochenbett: Das In-situ-Knochenbett im West Coast Fossil Park, Südafrika. Der Kieferknochen in der Mitte gehörte einem Sivathere, einem ausgestorbenen Verwandten der modernen Giraffe. Die Zeichenfolge markiert ein 1-Meter-Raster.

Kohlenstoffisotope: Mehr als nur Altersdatierung

Ein detaillierteres Verständnis kann durch die Untersuchung der Kohlenstoffisotope in Knochen und Zähnen gewonnen werden. Während die meisten Menschen mit dem C-14-Isotop aufgrund seiner Verwendung bei der Datierung neuer Überreste vertraut sind (siehe Diskussion unten), hat Kohlenstoff zwei Isotope, die häufiger vorkommen und nicht radioaktiv sind. C-12 ist das häufigste Kohlenstoffisotop, wobei C-13 ein sekundäres stabiles Isotop ist. Da sie stabil sind, verfallen sie nicht mit der Zeit.

Verschiedene Pflanzengruppen weisen unterschiedliche Kohlenstoffisotopenverhältnisse auf, die als Fingerabdruck für die Paläodiät antiker Tiere verwendet werden können. Der Kohlenstoff in Pflanzen wird zum Aufbau von Knochen und Zähnen verwendet, so dass sich die Verhältnisse in den Pflanzen in den Knochen der Tiere widerspiegeln, die sie verbrauchen.

Diese unterschiedlichen Isotopensignaturen sind auf die unterschiedlichen Stoffwechselwege der Pflanzen zurückzuführen. Viele Gräser sind geologisch gesehen neu und „C4-Pflanzen“, während Bäume und krautige Pflanzen „C3-Pflanzen“ sind. Eine Savanne besteht aus C4- und C3-Pflanzen, da es Bäume, Sträucher und Gräser gibt. Ein Wald dagegen wird überwiegend C3-Pflanzen sein. Eine in Südafrika einzigartige Flora ist der Fynbos (ausgesprochen: „finebose“), der auch C3 ist.

Ein Tier, das hauptsächlich C3-Pflanzen frisst, hat ein anderes Kohlenstoffisotopenverhältnis in seinen Knochen als ein Tier, das hauptsächlich C4-Pflanzen frisst. Eine Analyse der Überreste von Huftieren (Hufsäugetiere: Flusspferde, Antilopen, Giraffen, Schweine usw.) zeigt, dass die Umwelt im fossilen Park vor 5 Millionen Jahren von C3-Pflanzen dominiert wurde.

Pollen

Während die Isotopenanalyse ergab, dass die Region nicht von Gräsern dominiert wurde, konnte sie nicht zwischen Bäumen, Sträuchern und Fynbos unterscheiden. Glücklicherweise ist von Pflanzen freigesetzter Pollen in der Regel reichlich vorhanden und in Sedimenten gut konserviert.

Pollen können im Gegensatz zu Isotopenverhältnissen eine Pflanzenfamilie oder -gattung, die in dem Gebiet vorhanden war, eindeutig identifizieren. Im Gegensatz zu größeren Pflanzenresten wie Holz oder Blättern wird Pollen als zusätzlicher Bonus leicht von Wind und Wasser getragen und somit von einem Standort einer einzelnen Pflanze weit verbreitet. Während Sie vielleicht nie ein fossiles Blatt einer einzelnen Pflanze finden, ist es viel wahrscheinlicher, dass Sie dessen Pollen finden.

Eine Pollenanalyse im Fossil Park zeigt, dass die Region vor 5 Millionen Jahren die Pflanzenfamilien der krautigen Ranunculaceae (z.B. Butterblumen), Cyperaceae (z.B. Seggen, z.B. Papyrus), Asteraceae (z.B. Gänseblümchen) und Umbelliferae (z.B. Petersilie, Queen Anne's Lace) umfasste. Die Kombination dieser botanischen Familien wurde verwendet, um einen Küstenebenenlebensraum zu erschließen. Das Vorhandensein der Pflanzenfamilien Asteraceae, Chenopodiaceae (Gänsefuß) und Amaranthaceae (Amaranth) zeigte zusätzlich trockenere Bedingungen an. Pollen von Bäumen der Familie der Proteaceae (z.B. Protea) sowie der Gattungen Podocarpus (z.B. Yellowwood) und Olea (z.B. Olive und Ironwood) waren ebenfalls vorhanden.

Das Vorhandensein all dieser Pollen liefert ein Bild der Pflanzengemeinschaften, die diese Region zum Zeitpunkt der Ablagerung der fossilen Sedimente bewohnten. Zu wissen, welche Pflanzen und Tiere zu diesem Zeitpunkt vorhanden waren, kann dann verwendet werden, um die vergangene Umgebung anzuzeigen.

Das Goldlöckchen Age Dating Problem

Kohlenstoff-14 ist das (natürlich vorkommende) radioaktive Isotop des Kohlenstoffs, das die bekannteste Methode zur Datierung alter Materialien ist. Die überwiegende Mehrheit der Gesteinsaufzeichnungen kann mit dieser Technik jedoch nicht datiert werden, da die Halbwertszeit von C-14 zu kurz ist und außerdem das Vorhandensein des ursprünglichen organischen Materials erforderlich ist (wobei durch Fossilisierung das ursprüngliche organische Material durch mehr ersetzt wird) dauerhafte Mineralien). Bis das organische Material 75.000 Jahre alt ist, ist zu wenig C-14 in der Probe vorhanden, um zuverlässig gemessen zu werden.

Das radioaktive Isotop von Kalium (K-40) hat eine viel längere Halbwertszeit als C-14 und kommt in magmatischen Gesteinen vor. Daher können Techniken mit Kalium und seinem Tochterprodukt Argon auf Materialien angewendet werden, die vor mehr als 100.000 Jahren aus Vulkanen ausgebrochen sind (da die Halbwertszeit so lang ist, kann diese Technik wegen eines so geringen Anteils nicht auf sehr junges Material angewendet werden vom ursprünglichen Kalium ist verfallen, dass wir es nicht genau messen können).

Leider war Südafrika während des Todes dieser Tiere nicht vulkanisch aktiv, so dass die Sedimente nicht direkt mit Kalium-Argon datiert werden können. Es können jedoch auch andere Methoden verwendet werden, die Muster der Meeresspiegeländerung, des Paläomagnetismus und der Fossilien beinhalten, um das Alter der Sedimente anzuzeigen.

Zeitalter mit Fossilien verbinden

Die Biostratigraphie ist eine Methode zum Bestellen der Gesteinsaufzeichnung basierend auf den vorhandenen Tierresten und eine nützliche Alternative, um Altersbeschränkungen für fossile Gesteine ​​festzulegen. Einige Tierstämme wie Schweine und Elefanten scheinen sich (in geologischer Hinsicht) schnell zu ändern, sodass die Identifizierung verschiedener Gruppen dieser Tiere dazu beitragen kann, das Alter der Felsen genau zu bestimmen.

Hinweise auf fossile Tiere beschränken das Alter der Sedimente des West Coast Fossil Park auf etwa 5,2 Millionen Jahre. Das Suid (Schwein) Nyanzachoerus kanamensis wurde sowohl in Ostafrika als auch im Fossilienpark gefunden. Aufgrund des aktiven Risses und der damit verbundenen vulkanischen Aktivität in Ostafrika wurde dieser Art ein absolutes Altersdatum zugeordnet (wie wir eine Zahl zuordnen können). Da sich die Schweinefamilie geologisch sehr schnell verändert hat, können wir durch die Entdeckung dieser Art etwas über das Alter der Sedimente im Park aussagen.

Mehr Informationen
1 Isotopenanalysen und die Geschichte von Mais: Robert H. Tykot, Kapitel 10 in: J. E. Staller, R. H. Tykot und B. F. Benz (Herausgeber), Maisgeschichten: Multidisziplinäre Ansätze zur Vorgeschichte, Linguistik, Biogeographie, Domestikation und Entwicklung von Mais, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Die Felsen und Mineralien von Kapstadt: J.S. Compton, Double Storey Books, Kapstadt, Südafrika, 112 Seiten, 2004.
3 CleanTOPO2: Editierte SRTM30 Plus-Welthöhenangaben: Tom Patterson, US National Park Service, 2013.
4 Regionaler und globaler Kontext der paläontologischen Stätte Langebaanweg (LBW) im späten Känozoikum: Westküste Südafrikas: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Band 106: 3-4, Seiten 191-214, 2011.
5 Die Umwelt vor 5-5,2 Millionen Jahren: Artikel auf der Website des West Coast Fossil Park, zuletzt abgerufen im Dezember 2016.

Schlussfolgerungen

Die Rekonstruktion einer Umgebung kann oft bis ins kleinste Detail gehen: Isotopensignaturen in Knochen, Mikromuster auf Zähnen (Kratzer auf der Oberfläche der Zähne können darauf hinweisen, ob das Tier eine Weide, ein Browser oder ein Mischfuttermittel war), Pollenansammlungen in Sedimenten , etc…

Momentan herrscht im Park ein mediterranes Klima und er liegt über 10 km vom Meer entfernt. Alle kombinierten Beweise deuten jedoch darauf hin, dass der West Coast Fossil Park vor fünf Millionen Jahren in einem subtropischen Waldgebiet in der Nähe eines alten Bergflusses existiert hätte, der in den Atlantik mündet.

Tierreste ergeben zusammen mit mikroskopischen und chemischen Hinweisen ein zusammenhängendes Bild davon, wie diese Region aussah, obwohl kein Mensch anwesend war, um es direkt zu beobachten. Auf diese Weise entschlüsseln Geowissenschaftler die Geheimnisse des vergangenen Lebens und Klimas der Erde.

Heutzutage können diese Fossilien im West Coast Fossil Park in Südafrika an Ort und Stelle gesehen werden. Die Gäste können sogar das Umweltbild verbessern, indem sie nach Mikrofossilien von Vögeln, Fröschen, Nagetieren und vielen anderen kleinen Tieren suchen Bildschirme. Alle Funde werden in die Museumssammlungen aufgenommen - Besucher dürfen keine Exemplare für sich selbst sammeln, da alle Fossilien vom Staat in Südafrika geschützt werden.

Fossiler Park der Westküste

Der West Coast Fossil Park liegt 120 km nördlich von Kapstadt in Südafrika. Ihre Website enthält zahlreiche Informationen über die Website, detaillierte Anweisungen, Informationen zu den dort stattfindenden Forschungsarbeiten sowie Animationen und Arbeitsblätter. Die Autorin dieses Artikels bedankt sich bei der Geschäftsführerin des Fossilienparks, Pippa Haarhoff, für ihre Hilfe und Ermutigung.

Über den Autor

Alex Guth hat an der Michigan Technological University promoviert und ihre Dissertation befasste sich mit der vulkanischen Evolution des Kenya Rift. Sie hat die Region Westkap in Südafrika mehrmals besucht, um ihren Berater beim Feldcamp Geologie zu unterstützen, und ihre Forschungen in Afrika haben zu mehreren Gelegenheiten geführt, mit National Geographic zusammenzuarbeiten. Ihre Website ist abrufbar unter: //www.geo.mtu.edu/~alguth/