Fossil
Als Fossil (von lat. fossilis „(aus)gegraben“) früher auch Petrefakt genannt, bezeichnet man jedes Zeugnis vergangenen Lebens aus der Erdgeschichte.
Derartige erdgeschichtliche Dokumente können sowohl körperliche Überreste (Körperfossilien) als auch Zeugnisse der Aktivität von Lebewesen (Spurenfossilien) sein, die älter als 10.000 Jahre sind und sich somit einem geologischen Zeitalter vor dem Beginn des Holozäns zuordnen lassen. In der Biologie und Paläontologie werden die Arten, die bis zur Wende Pleistozän/Holozän ausstarben als fossil bezeichnet und den rezenten Arten gegenüber gestellt, denjenigen also, die heute noch leben oder erst im Laufe des Holozäns ausstarben.
Durch besondere Umstände sind manche fossile Lebewesen nach ihrem Tod nicht verwest und zerfallen, sondern Bestandteile, Form und/oder Struktur blieben bis heute zum Teil erhalten. Die fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle sind ebenfalls Überreste vorwiegend pflanzlicher Biomasse. Es muss dabei jedoch bedacht werden, dass auch jegliche Spuren von Lebewesen dieses Alters, also unter anderem Abdrücke und versteinerte Exkremente (Koprolithe), zu den Fossilien gezählt werden.
Begriffe und Einteilung
Die Bezeichnung „Fossil“ wurde erstmalig 1546 von Georgius Agricola in seinem Standardwerk De natura fossilium verwendet. Gängige Bezeichnungen für Fossilien waren auch „Petrefakt“ und „Versteinerung“, jedoch fälschlicherweise, da sie nur den häufigsten Erhaltungszustand eines Fossils umschreiben. Belegte man zunächst unterschiedslos alle aus dem Boden gegrabene Kuriositäten mit dem Begriff „Fossil“, etwa auch Minerale und Artefakte, seltsam geformte Wurzeln und Mineralkonkretionen, fand erst im Laufe der Zeit eine Bedeutungsverengung auf solche Objekte statt, die von der Existenz früheren Lebens zeugten. Der Naturforscher und spätere Geistliche Nicolaus Steno war der erste, der erkannte, dass es sich bei Fossilien nicht um Launen der Natur, sondern um Lebewesen aus früheren Zeiten handelt.
Den Grenzbereich zwischen fossil und rezent wird als subfossil oder auch subrezent bezeichnet, er wird jedoch uneinheitlich gebraucht. „Subfossil“ können Zeugnisse bezeichnen, die aus den letzten 10.000 Jahre stammen, in der Paläobotanik bezeichnet es eine unvollständige Fossilisation, also einen bestimmten Erhaltungszustand. Danach können selbst Floren aus dem Tertiär als subfossil gelten.
Fossilien von Lebewesen, die nur in einem kurzen Zeitabschnitt auftraten, dafür aber räumlich weit verbreitet waren, können als Leitfossilien verwendet werden. Mit ihnen kann man das Alter von Gesteinsschichten aus verschiedenen Gegenden vergleichen (Biostratigrafie). Die wissenschaftliche Erforschung der Fossilien erfolgt in erster Linie durch die Paläontologie.
Einige heteromorphe Ammoniten und andere Fossilien wie der Bischofsstab, die eine ungewöhnliche Wuchsform aufweisen, werden als aberrante Formen bezeichnet.
Fossilien werden unterteilt in:
- Körperfossilien: Als solche bezeichnet man vollständig erhaltene Körper von Lebewesen, sowie auch deren teilweise erhaltenden Hartteile bzw. seltener auch Weichteile.
- Steinkerne: Diese entstehen, wenn Lebewesen einen Hohlraum im Sediment hinterlassen, der später ganz oder teilweise mit Sediment verfüllt wird (siehe unten).
- Spurenfossilien: Spurenfossilien enthalten alle Hinweise auf Leben, die nicht das Lebewesen selbst betreffen. Beispielsweise Fußabdrücke, Bewegungs- und Grabspuren (Bioturbation), Ernährungsspuren (Fraß oder Kot), Fortpflanzungs- und Wohnspuren (Eier, Nest).
Körperfossilien werden nach ihrer Größe und den jeweils verwendeten Arbeitstechniken weiter differenziert. Die Grenzen sind dabei fließend:
- Makrofossilien sind mit dem bloßem Auge erkennbar
- Mikrofossilien sind mit dem Lichtmikroskop erkennbar
- Nanofossilien sind mit dem Elektronenmikroskop erkennbar
Entstehung von Fossilien - Fossilisationslehre
Die Fossilisationslehre (Taphonomie) ist die Lehre, die sich mit der Entstehung von Fossilien beschäftigt. Da der abgestorbene Organismus (oder Hinterlassenschaften) mehrere Phasen durchläuft, bevor die Fossilisation abgeschlossen ist, benutzt die Fossilisationslehre die Erkenntnisse verschiedener anderer Disziplinen.
Bedeutung der Fossilien für die Evolutionslehre
Dokumente der Lebensgeschichte
Die Existenz von Fossilien ist eines der wichtigsten Argumente für die Evolutionstheorie. Sie zeigen uns, dass im Laufe der Geschichte des Lebens unzählige Organismenarten auf der Erde entstanden und verschwunden sind. Diese ehemalige Vielfalt ist allein aus der Kenntnis heutiger Formen heraus nicht zu beschreiben. In den Fossilien lernen wir nicht nur die Ahnen vieler in der Gegenwart lebender Organismen kennen, sondern auch einst blühende, aber nachkommenslos erloschene Tier- und Pflanzengruppen, wie zum Beispiel Trilobiten, Ammoniten, Samenfarne oder Dinosaurier.
Zeugen vergangener Lebensräume
Fossilien dienen als Hinweise auf ehemalige geographische und ökologische Verhältnisse also der ehemaligen Umwelt oder Paläoumwelt, mit der sich die Paläoökologie beschäftigt, denn jedes Lebewesen ist an einen bestimmten Lebensbereich gebunden und gibt uns als Fossil außerdem Auskunft über die besonderen Umstände, die zu seiner Erhaltung geführt haben.
Die Reste der verschiedenen Pflanzen- und Tiergruppen treten nacheinander in der Abfolge der Gesteine auf. Ältere Gesteinsschichten enthalten Fossilien einfacher gebauter Lebewesen, in jüngeren Schichten findet man Reste höherentwickelter Lebewesen. Dadurch kann man bestimmen zu welcher Zeit Tiere oder Pflanzen gelebt haben. Trotzdem ist die Überlieferung nur lückenhaft, weil nur wenige Organismen fossil werden und wenn, dann auch nur die Hartteile. So gibt es fast keine Überlieferungen von hartteillosen Organismen.
Lebende Fossilien
Auch die so genannten „lebenden Fossilien“ sind für die Evolutionsforschung von Bedeutung. Ein lebendes Fossil ist eine Tier- oder Pflanzenart, die sich in ihrem grundlegenden Körperbau (Morphologie) von ihren Vorfahren nur unwesentlich unterscheidet, also viele Merkmale erdgeschichtlich lange zurückliegender Evolutionstadien in ihrem Erscheinungsbild konserviert hat. Das ermöglicht Paläobiologen Rückschlüsse auf die Lebensweise und das Aussehen der ausgestorbenen Vorläufer dieser Lebewesen zu ziehen.
Lebende Fossilien kommen vorwiegend als endemische Arten in isolierten Teilen der Erde vor, so auf Inseln, der Tiefsee oder tropischen Urwäldern. Derartige Lebensräume können hinsichtlich der Umweltbedingungen über viele Jahrmillionen weitgehend unverändert bleiben, dadurch wirkte auch die biologische Selektion immer gleich. Ohne den Zwang zur Anpassung an neue Verhältnisse stagniert auch die evolutive Entwicklung und die Art veröndert sich morphologisch kaum mehr. Ein gutes Beispiel für derartige Sonderentwicklungen in isolierter Lage ist der Inselkontinent Australien und seine spezifische Fauna. Nach der Auflösung Gondwanas in die einzelnen Erdteile durch plattentektonische Kräfte, driftete die Australische Platte lange Zeit weitgehend isoliert in östliche Richtung, ein Kontinente übergreifender Artenaustausch fand nicht mehr statt. In der Abgeschiedenheit Australiens konnten somit Taxa (systematische Gruppen) von Tieren überdauern, die sonst fast überall ausgestorben sind, wie etwa die Kloakentiere (Protheria). Auch die Beuteltiere (Metatheria) bestanden hier fort und bilden eine artenreiche Gruppe, während es mit Ausnahme weniger Arten in Amerika auf der Erde sonst keine Vertreter dieser einstmals weit verbreiteten Gruppe mehr gibt. Zu den lebenden Fossilien gehören neben den Beuteltieren und Kloakentieren beispielsweise die Krokodile und Schildkröten, die Haie, der Quastenflosser Latimeria sowie einige Eidechsen- und Schlangenarten.
Methoden zur Altersbestimmung von Fossilien
Um den Ablauf der Evolution zu klären, muss man das Alter der Fossilien bestimmen. Es gibt dabei verschiedene Methoden der Altersbestimmung. Man kann sie unterscheiden in:
- Radiometrische Altersbestimmung
- Stratigraphische Altersbestimmung
- Altersbestimmung durch Leitfossilien
Radiometrische Altersbestimmungen
Die Entdeckung der Radioaktivität (1896) eröffnete die Möglichkeit der radiometrischen Altersbestimmung, die anders als die anderen Verfahren absolute Zeitangaben liefert und somit das Wissen über die Evolution entscheidend beeinflusste.
Grundlegende Theorie: Die Atome radioaktiver Isotope, beispielsweise von Uran (U) und Thorium (Th), zerfallen gesetzmäßig zu nichtradioaktiven Isotopen. Bei der radiometrischen Altersbestimmung wird das Mengenverhältnis aus Mutter- zu Tochterisotop in einem Mineral festgestellt. Das Ergebnis bedarf sorgfältiger geologischer Interpretationen, denn nur unter günstigen Bedingungen ist das radiometrische Alter der Mineralien gleich dem Alter der Gesteine.
Kohlenstoff-14-Methode: Durch Stoffwechselprozesse bleibt das Niveau von Kohlenstoff 14 in einem lebenden Organismus in konstantem Gleichgewicht mit dem Niveau der Atmosphäre oder des Meeres. Mit dem Tod des Organismus beginnt Kohlenstoff 14 mit einer konstanten Geschwindigkeit zu zerfallen; der Kohlenstoff wird dann nicht mehr durch das Kohlendioxid in der Atmosphäre ersetzt. Der schnelle Zerfall von Kohlenstoff 14 (Halbwertszeit 5.730 Jahre) begrenzt im Allgemeinen den Datierungszeitraum auf ungefähr 50.000 Jahre, in manchen Fällen kann er bis 70.000 Jahre erweitert werden. Die Unsicherheit bei der Messung erhöht sich mit dem Alter der Probe, da über lange Zeit durch Diffusion Kohlenstoff aus dem umgebenden Gestein aufgenommen werden kann und sich so der Wert verfälscht.
Kalium-Argon-Methode: Mit dem Zerfall von radioaktivem Kalium 40 zu Argon 40 und Calcium 40 können Gesteine mit einem Alter von 200 bis 800 Millionen Jahren (mit Argon) bzw. von ein bis zwei Milliarden Jahren (mit Calcium) datiert werden. Kalium 40 kommt in häufigen gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor. Problematisch ist das Entweichen von Argon, wenn das Gestein Temperaturen über 125 °C ausgesetzt war, denn dadurch wird das Messergebnis verfälscht.
Rubidium-Strontium-Methode: Mit dieser sehr genauen und zuverlässigen Methode können die ältesten Gesteine datiert werden. Sie basiert auf dem Zerfall von Rubidium 87 zu Strontium 87 und wird häufig auch dafür eingesetzt, um Kalium-Argon-Datierungen zu überprüfen, da sich Strontium bei geringer Erwärmung nicht verflüchtigt, wie es beim Argon der Fall ist.
Methoden mit Blei: Das Blei-Alpha-Alter wird bestimmt, indem man den Gesamtbleigehalt und die Alphateilchenaktivität (Uran-Thorium-Gehalt) von Zirkon-, Monazit- oder Xenotimkonzentraten spektrometrisch bestimmt. Die Uran-Blei-Methode basiert auf dem radioaktiven Zerfall von Uran 238 in Blei 206 und von Uran 235 in Blei 207. Mit den Zerfallsgeschwindigkeiten für Thorium 232 bis Blei 208 kann man drei voneinander unabhängige Altersangaben für die gleiche Probe erhalten. Die ermittelten Blei-206- und Blei-207-Verhältnisse können in das so genannte Blei-Blei-Alter umgewandelt werden. Die Methode wird am häufigsten für Proben aus dem Präkambrium benutzt.
Schichtenabfolgen im Gestein (Stratigraphie)
Durch die Abfolge der Gesteinsformationen (Stratigraphie) kann man festlegen, welche Schichten älter und welche jünger sind. Da diese Methode keine absoluten Zahlen bringen kann, wird sie als relative Zeitskala bezeichnet. Zusammen mit den radiometrischen Messungen ergibt sich aber ein relativ genaues Bild, wie alt eine Gesteinsschicht ist und damit auch die darin erhaltenen Fossilien.
Leitfossilien
Dies sind Fossilien, die nur in einem relativ kleinen Abschnitt der Gesteinsfolgen in großer Zahl vorkommen. Wenn das Alter dieser bestimmt ist, hat man die Möglichkeit dadurch andere Schichten in denen diese Fossilien ebenfalls vorkommen zu bestimmen, weshalb Leitfossilien auch ein unverzichtbares Element der Altersbestimmung in der Paläontologie sind.
Ein gutes Leitfossil sollte folgende Ansprüche erfüllen:
- weite geografische Verbreitung
- weitgehende Unabhängigkeit von Gesteinsausbildung (Fazies)
- leichte Kenntlichkeit
- häufiges Auftreten
Wichtige Beispiele sind die Trilobiten (Kambrium bis Devon) und die Ammoniten (Devon bis Kreide). Beide Tiergruppen besiedelten einst das riesige Urmeer unseres Planeten.
Bekannte Fundstätten von Fossilien in Deutschland
- Grube Messel bei Darmstadt
- Steinbrüche bei Solnhofen und Eichstätt
- Holzmaden in Baden-Württemberg
- Bundenbach in Rheinland-Pfalz
- Geiseltal bei Halle/Saale Sachsen-Anhalt
- Bilzingsleben in Thüringen
- Doberg bei Bünde. Siehe auch Dobergmuseum
- Kalksteinbruch Rüdersdorf bei Berlin
- Ziegeleigrube Vorhalle bei Hagen
Diese Fundstätten zeichnen sich durch hohe Artenvielfalt und erstklassigen Erhaltungszustand der Fossilien auf eng begrenztem Raum aus.
Fossilien finden sich aber auch oft in natürlichen Aufschlüssen (Gestein tritt an die Erdoberfläche) oder künstlichen Aufschlüssen (zum Beispiel beim Straßen- oder Tunnelbau).
Berühmte Fossilien
Auch außerhalb der Wissenschaft sind einige Fossilien berühmt geworden, so zum Beispiel der Urvogel Archaeopteryx aus dem Solnhofener Plattenkalk, der vermutlich von gefiederten Dinosauriern abstammte. Ein weiters Beispiel ist das ungewöhnlich vollständige Skelett eines weiblichen Australopithecus afarensis namens „Lucy“.
Weiterführende Artikel
Zitate
- „Für jenen, der die Evolution verstanden hat, ist die Welt stets so jung und frisch wie zum Zeitpunkt ihrer Entstehung.“ Thomas Henry Huxley, A Liberal Education (1868)