Paläontologie: Kronzeugen der Schöpfung

In fast 550 Millionen Jahre alten Sedimenten vom Grunde des Ur-Ozeans stießen Paläontologen in China auf Fossilien mitsamt deren Weichteilen und Organen. Durch geochemische Umstände gleichsam mumifiziert, dokumentieren diese Funde die Entfaltung aller heute existierenden Lebenwesen - bis hin zum Menschen
In diesem Artikel
Konservierung durch Schlamm
Das älteste Gehirn
Hydrothermale Felder
Vereiste Erde

Die Fossilienlagerstätte von Chengjiang: Hier haben Winde die Ackerkrume verweht und in dem entblößten Gesteinsschutt ein geologisches Fenster geöffnet, das den Blick in fernste erdgeschichtliche Vergangenheit ermöglicht. Die Gesteinsscherben, die sich hier finden, sind Sedimentgesteine, die sich vor mehr als einer halben Milliarde Jahren im Erdzeitalter Kambrium am Grunde des Ur-Meeres abgelagert haben - und sie sind reich an Fossilien.

Urknall der Evolution

Diese in Chengjiang zu Tage tretenden Fossilien repräsentieren die Zeit nicht lange nach einem erdgeschichtlichen Ereignis von weltweit einschneidender Bedeutung, das Wissenschaftler als "Kambrische Explosion" bezeichnen. Sie gilt als Geburtsstunde aller Tierstämme und ihrer Gruppen. An zahlreichen Orten, so auch auf der Jangtse-Plattform, haben sich Myriaden winziger versteinerter Platten gefunden, die an Schalen kleiner Muscheln erinnern. Wenn von Lebewesen überhaupt etwas die Zeiten überdauert, so sind es am ehesten Hartteile wie Schalen, Knochen oder Panzer.

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Nach wissenschaftlichen Erkenntnissen rekonstruiert: Anomalocaris packt mit seinen gewaltigen Klauen eine schwer gepanzerte Vetulicola

Ahnenforschung

Doch leere Muschelschalen oder leere Schildkrötenpanzer verraten wenig über die wahre Natur ihrer Bewohner, wenn solche Tiere gar nicht mehr existieren. Auch wessen Ahnen jene längst ausgestorbenen Bewohner des Ur-Ozeans waren, ist nur dann zweifelsfrei zu ermitteln, wenn sich Weichteile in den Fossilien erhalten haben. Doch derart leicht Verwesliches bleibt nur bei ungewöhnlich günstigen und äußerst seltenen geochemischen Umständen, vor allem bei Abwesenheit von Sauerstoff, in den Gräbern der Erdgeschichte vor dem Zerfall bewahrt.

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Anomalocaris war das größte Raubtier im Ur-Ozean. Dieses komplett erhaltene Jungtier misst 30 Zentimeter. Ein ausgewachsenes Exemplar wurde zwei Meter groß

Zurück in die Vergangenheit

Eine Lagerstätte, in der sich diese Bedingungen vereinen, entdeckte der amerikanische Geologe Charles Doolittle Walcott 1909 in den Burgess Shales der kanadischen Rocky Mountains. Die Fossilien von Chengjiang aber sind bedeutender: Sie führen noch mehrere Millionen Jahre weiter zurück in die Urzeit der Erde als die Funde in den Burgess Shales - und damit näher heran an den geheimnisvollen Urknall tierischen Lebens. Vor allem aber sind sie erheblich besser erhalten als jene in Kanada - ganz besonders die Weichteile.

Konservierung durch Schlamm

Wie es zu dieser spektakulären Erhaltung von Weichteilen kommen konnte, leitet Bernd-Dietrich Erdtmann, Professor an der Technischen Universität Berlin, aus einer komplexen Ablaufkette her. Er bezeichnet die fossilienreichen Schichten als "Ereignislagen". Denn all die Tiere, deren Relikte sich in ihnen finden, müssen schnell, durch ein ganz besonderes Ereignis, zu Tode gekommen sein. Sie waren augenfällig so rasch von einem extrem feinkörnigen Sediment zugedeckt worden, dass sie nicht entrinnen konnten. Dieser Schlamm hat all die kambrischen Organismen vor Aasfressern und der Einwirkung durch Bakterien oder Sauerstoff bewahrt.

Rekonstruktion aus Einzelteilen

Zum überwiegenden Teil haben sich die Tiere, deren Fossilien hier zu Tage treten, als Urahnen der Mollusken und der Arthropoden, der Gliederfüßer, entpuppt. Daneben lagert in den Chengjiang-Sedimenten eine große Menge zusammenhangloser Fragmente von großen Tieren. Sie korrekt wieder zusammenzusetzen, ist ein mühseliges und Zeit raubendes Unterfangen. Die bisher härteste Nuss bei einer solchen Rekonstruktion war die eines Lebewesens, dessen Einzelteile Charles Doolittle Walcott einst in den Burgess Shales gefunden hatte.

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Gesteinsformationen aus der Zeit des Ur-Ozeans

Kriminalistische Präparationsarbeit

In den siebziger Jahren gelang es dem englischen Paläontologen Harry Whittington, aus all diesen Relikten in kriminalistischer Präparationsarbeit eine etwa 60 Zentimeter große Kreatur zu rekonstruieren. Der so ermittelten neuen Gattung gab er den Namen Anomalocaris. Auf die von ihm und anderen Wissenschaftlern gewonnenen Erfahrungen konnten die chinesischen Forscher zurückgreifen, nachdem auch sie Körperteile gefunden hatten, die Anomalocaris glichen. Allerdings erwies sich "ihr" Tier als ein zwei Meter großes Monster - als größtes Raubtier des Ur-Ozeans, das sich auch von Fischen, den ältesten aller Wirbeltiere, ernährt hatte.

Sensationeller Fund

Bislang waren Fische erstmals in der auf das Kambrium folgenden Gesteinsformation Ordovizium dokumentiert worden, einer Zeit also, in der Anomalocaris längst ausgestorben war. Mitte der neunziger Jahre machten die chinesischen Paläontologen Chen Jun Yuan und Li Chia Wei in den Chengjiang-Sedimenten den Fund ihres Lebens. Ein Fossil, das auf den ersten Blick aussieht wie ein schlankes, geripptes Blatt. In Wirklichkeit handelt es sich aber um ein Relikt, das so gut erhalten ist, dass sich die komplexe Anatomie eines Tieres in allen Einzelheiten studieren lässt.

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Zu den Funden der Fossillagerstätte in Chengjiang gehören auch seit langem ausgestorbene Trilobiten

Das älteste Gehirn

Im Gegensatz zu all den anderen Chengjiang-Fossilien mit schaligen Außenskeletten verfügt dieses Tier über innere, den Körper stützende Strukturen, die anmuten wie hintereinander liegende Muskelsegmente, die im Fachjargon Myomeren genannt werden - und eine zentrale "Chorda dorsalis", die evolutionäre Vorstufe einer Wirbelsäule. Die Myomeren laufen, wie die Rippen eines Blattes, in einer Rückenflosse aus. Die Struktur sämtlicher Organe hat sich erhalten. Am Ende eines Nervenstrangs, der das ganze Fossil durchzieht, findet sich sogar ein Gehirn - das älteste bisher entdeckte.

Der erste Fisch

Die Paläontologen gaben diesem Tier den Namen Haikouella. Nicht lange nach ihrem Fund stießen sie am gleichen Ort sogar auf eine Weiterentwicklung von Haikouella - mit Rückenflosse, einer Chorda dorsalis und Myomeren sowie einem festen, aus mehreren Knochenplatten aufgebauten Schädel zum Schutz des Gehirns. Dieses Tier, Haikouichthys genannt, war wahrscheinlich der erste aller Fische - und ein Beweis dafür, dass sich diese Tiergruppe etwa 60 Millionen Jahre früher entwickelt hat als bisher angenommen.

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Haikouella mutet an wie ein heutiges Lanzettfischchen. Am Kopf: sechs Paar filigraner Kiemen.

Existenzgrundlage Sauerstoff

Verglichen mit den Jahrmilliarden Erdgeschichte zuvor, in dem die Entwicklung des Lebens nur schleppend vorangekommen war, vollzog sich an der Wende vom Präkambrium zum Kambrium tatsächlich Dramatisches, und die Wissenschaftler grübeln nach den Funden von Chengjiang mehr denn je über die Ursachen dafür. Jahrzehntelang haben viele von ihnen die These vertreten, dass seinerzeit infolge der Fotosynthese von Myriaden einzelliger Algen über Jahrmilliarden der Sauerstoffgehalt im Ur-Ozean einen Wert erreichte, der nunmehr auch vielzelligen Tieren mit komplexen Bauplänen eine Existenz ermöglichte.

Kalzium als Baustoff

Vielmehr mussten jedoch, damit an der Schwelle zum Kambrium jene Metazoa, Tiere mit Außen- und später auch Innenskeletten, entstehen konnten, zahlreiche weitere grundsätzliche biologische Prozesse ablaufen, die unter dem Begriff Biomineralisation zusammengefasst werden. Millionen Jahre zuvor waren infolge der Erosion auf den Ur-Kontinenten gewaltige Mengen Kalzium ins Meer gespült worden. Kalzium ist zwar ein gefährliches Zellgift - aber die Organismen machten damals aus der Not eine Tugend: Sie verarbeiteten das Kalzium zu Außenskeletten. Laut Erdtmann mögen diese zunächst als Schutz gegen hohe Wellen- und Strömungsenergie gedient haben.

Hydrothermale Felder

Erdtmanns Schüler und Assistent Michael Steiner entdeckte, dass dichte Lagen von Schwefelbakterien-Kolonien, aber auch zahlreiche Schwämme und erste Vertreter eben jener hartschaligen Metazoen in "black shales" eingebettet waren - in schwarzes Schiefergestein. Eine geochemische Analyse ergab, dass diese Black Shales sich aus Eisen-, Nickel- und Kupfererzschlämmen gebildet hatten, die augenfällig aus Hydrothermalquellen, ähnlich den heutigen "black smokers", am Grund des präkambrischen Ozeans hervorgequollen waren. Entlang der mittelozeanischen Gräben und Rücken, aber auch entlang anderer tektonischer Bruchzonen der ozeanischen Erdkruste, erstrecken sich hydrothermale Felder.

Qualmende Schlote voller Leben

Wasser, das dort in den Meeresgrund sickert, trifft auf heißes Vulkangestein, reagiert damit und belädt sich dabei mit vielen Substanzen - etwa mit Schwefelwasserstoff und Schwermetallen. Diese heiße Lösung sprudelt aus Klüften schließlich wieder empor. Beim Kontakt mit dem kalten Ozeanwasser fallen die Schwermetalle als Sulfide aus und bilden im Laufe der Zeit hohe schlanke Schlote. In unmittelbarer Umgebung der Black Smoker hat man zahlreiche unbekannte, bizarre Tiere entdeckt; zwischen den qualmenden Schloten wimmelt es geradezu von Leben.

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In den "black smokers" der Tiefsee fanden die ersten hartschaligen Tiere während einer globalen Eiszeit ein warmes und nährstoffreiches Refugium und entwickelten sich weiter

Chemo- statt Fotosynthese

Die Basis des Ökosystems in dieser Unterwelt ist nicht die Fotosynthese der Pflanzen wie in der Oberwelt, sondern eine Chemosynthese der Mikroben: Schwefelbakterien oxidieren den unablässig in den Schloten aufsteigenden Schwefelwasser-stoff und nutzen die so gewonnene Energie zum Aufbau von Biomolekülen. Davon ernähren sich direkt oder indirekt die vielen hier unten ansässigen Tiere. Einige Forscher vermuten, dass vergleichbare physikalisch-chemische Bedingungen seit Urzeiten in der Tiefe der Ozeane existiert haben könnten. Erdtmann und Steiner haben in China den fossilen Nachweis von Hydrothermalquellen samt einer reichen Bakterien- und Tierwelt erbracht.

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Glazialsedimente vom Ur-Meeresgrund

Die beiden Wissenschaftler nehmen an, dass sich das Leben in der Umwelt der urzeitlichen Tiefseequellen auf dramatische Weise organisiert und höher entwickelt haben könnte. Denn die Jangtse-Plattform hat den Wissenschaftlern noch eine ganz andere Überraschung beschert: Einen grauen Gesteinsbrocken, der über und über von Riefen zerfurcht ist. Er stammt aus dem Proterozoikum und ist ein Glazialsediment, das sich zuhauf auf dem 600 Millionen Jahre alten Grund des Ur-Ozeans findet. Glazialsedimente sind von wandernden Gletschern an Land abgeschabte und oft bis ins Meer transportierte Steine.

Vereiste Erde

Wenn die Gletscher dann schmolzen, sanken die "Tillite" auf den Meeresgrund. Präkambrische Tillite, die sich annähernd zeitgleich wie auf der Jangtse-Plattform abgelagert haben, sind inzwischen auch in vielen anderen Teilen der Erde gefunden worden. Daraus schließen Wissenschaftler auf eine weltweite Vereisung zu jener Zeit. Aber während die späteren Eiszeiten immer nur begrenzte Areale entweder der nördlichen oder der südlichen Hemisphäre betrafen, waren zur präkambrischen Eiszeit nicht allein Kontinente von Eis bedeckt, sondern die Meere bis in eine Tiefe von vielleicht 1500 Metern zu Eis erstarrt.

Flucht in die Tiefe

Erst im Jahr 2001, nach vielen Jahren weiterer geochemischer Gesteins- und Fossilanalysen, haben sich Erdtmann und Steiner mit ihrer spektakulären neuen Theorie über die Ursachen der Lebensbonanza am Beginn des Kambriums an die wissenschaftliche Öffentlichkeit gewagt: Danach müssen einige Organismen wie die ersten Metazoen der Kälte entkommen sein - tief hinab zu den warmen, nährstoffreichen Oasen der Hydrothermalquellen. Dort stellten sie ihren Stoffwechsel auf die Synthese jener Substanzen um, die sie vorfanden, oder weideten die Bakterienmatten ab.

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Im Darm von Anomalocaris sind noch die Überreste seiner letzten Mahlzeit zu erkennen - geschredderte Panzer und Gliedmaßen von Trilobiten

Entstehung neuer Arten

Gleichsam verbannt aus dem Paradies der gleichförmigen Umwelt des Ur-Ozeans, waren diese Lebewesen nun in den düsteren Oasen am Meeresgrund zusammengepfercht und mussten dort miteinander konkurrieren. Hinzu kam, dass die Leben spendenden Hydrothermalquellen immer wieder erloschen und an anderer, oft weit entfernter Stelle wieder ausbrachen. Nicht jedem Organismus gelang es dann, die neuen Oasen zu erreichen. Und der unablässige Existenzkampf und die Isolation förderten - wie es auch in der erdgeschichtlichen Gegenwart unter Inselpopulationen, etwa auf den Galápagos Inseln, geschieht - die Entstehung neuer Arten ungemein.

Unaufhörliches Wettrüsten

Als zunächst unbedeutende Nebenerfindung hatten die neuen Metazoen zähnchen- und scherenartige Werkzeuge entwickelt, die ihnen halfen, Beute zu machen. Damit aber kam ein neues Prinzip in die Welt: Fressen und gefressen werden. So entstanden schon an der Schwelle zum Kambrium Kreaturen wie Anomalocaris, schwer gepanzert und schwer bewaffnet zugleich - und ein unaufhörliches Wettrüsten begann. Seither ist aggressive Konkurrenz ebenso wie jener fortwährende Wechsel von Warm- und Kaltzeiten, den man heutzutage gern "Klimakatastrophe" nennt, Hauptantrieb der Evolution und damit allen biologischen Wandels.

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