3. Evolution

3.2.2

Paläontologie; Fakten, die für Evolution sprechen

Die PALÄONTOLOGIE ist die Lehre von den Lebewesen der Vorzeit. Sie wurde im Wesentlichen von Georges Cuvier (um 1800) begründet.

Die paläontologische Forschung schließt viele Aspekte verschiedener geologischer und biologischer Teilbereiche mit ein:

  • Stratigraphie - Ursprung und Beziehung von Gesteins-Ablagerungen in Raum und Zeit.
  • Biostratigraphie - Identifikation und Organisation von Gesteinsschichten aufgrund von Fossilien.
  • Geochronologie - Studium des Erdalters.
  • Vergleichende Anatomie von Tieren und Pflanzen
  • Evolutionäre Biologie - Schema und Prozesse, wie sich die Organismen mit der Zeit geändert haben.
  • Systematik und Taxonomie - Studium und Ordnung der verschiedenen Organismen.
  • Ebenfalls Aspekte der Physiologie, Ökologie, Botanik und Verhaltenslehre.

Sedimentgesteine sind die häufigsten Gesteine auf der Erdoberfläche. Sie entstanden aus älterem Schmelzgestein, das durch Wind oder Wasser zerfallen war. Diese Reste setzten sich als Kies, Sand, Schlamm usw. am Boden der Flüsse, Seen und Meere ab. Sie begruben lebende und tote Tiere und Pflanzen. Mit der Zeit und durch chemische Reaktionen versteinerten sie. Kies wurde zu Konglomerat, Sand zu Sandstein (siehe unten links) usw. und die Reste der Pflanzen wurden zu Fossilien.

Dabei gilt, falls keinen Verwerfungen geschahen: die Oberschicht ist die jüngere, die untere die ältere.

Mit der Lage des Gesteins beschäftigt sich die Stratigraphie.

Grundsätzliche Gesteinstypen sind:

  • Schmelzgestein -aus Lava oder Magma aus dem Erdinneren entstanden: Granit, Basalt
  • Umwandlungsgestein - Gestein, das durch großen Druck oder Temperatur ohne Schmelzprozess entstanden ist: z.B. Marmor aus Kalkstein oder Quarzit aus Sandstein
  • Sedimentgestein - Gestein, das durch Anhäufung oder Zementierung von Mineralpartikeln wie Sand, Schlamm oder Ton gebildet wurde wie Sandstein oder durch chemische Präzipitation wie Kalkstein.

Die überwiegende Mehrheit der Fossilien findet man in Sedimentgestein. Die Natur des Sediments läßt Rückschlüsse auf die Umgebung zu, aus der es entstanden ist.

Plattentektonik

Für das Verständnis der globalen Gesteinsbildung ist ebenfalls noch die Kenntnis der Plattentektonik wichtig, die Theorie, daß die Erdkruste aus großen, beweglichen Platten besteht. Sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 1-12 cm/Jahr.

In diesem Zusammenhang soll nochmals auf einige andere Fakten, die Erde betreffend hingewiesen werden. (siehe dazu auch Biokurs Klasse 11 Ökologie)

Die Theorie der Plattentektonik umfaßt zwei Komponenten:

a)

Die Kontinentalverschiebung ist die Idee, daß Kontinente unterschiedlich über die Oberfläche des Erdballs verteilt sind und im Laufe der Geologischen Zeit in ihre gegenwärtige Position gewandert sind.

(siehe unten)

b)

Sea-Floor Spreading ist der Mechanismus, der die Kontinentalverschiebung antreibt. An gewissen Stellen der Ozeane gibt es schlangenförmige Gebirge. Geologen konnten zeigen, daß die ozeanische Erdkruste sich dort auseinanderbewegt und dazwischen neues geschmolzenes Material austritt (Magma), das sich abkühlt und neue Kruste bildet.(siehe oben)

Mehr zu diesem Thema siehe auch hier: http://www.pmel.noaa.gov/vents/

Erdkruste und Atmosphäre bilden zusammen ein Gleichgewichtssystem. Zur Erinnerung nochmals die Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre, aufgelistet nach den häufigsten Bestandteilen:

Stickstoff = N2 (78%)
Sauerstoff = O2 (21%)
Wasser = H2O (<1% bis 4%)
Argon = Ar (1%)
Kohlenstoffdioxid = CO2 (0.037% heute)
Methan = CH4 (1.7 ppm = 0.00017%)

Die Gaszusammensetzung der Atmosphäre veränderte sich im Laufe der Erdgeschichte ständig. In den letzten 600 Millionen Jahren schwankte die Sauerstoffkonzentration zwischen ca. 15 - 35% und und war in den letzten 200 Millionen Jahren mit ca. 25% meist höher als heute. Auch die CO2-Konzentration sank im Zeitraum von 600 Millionen Jahren beständig vom ca. 15-fachen von heute auf nun 0,037% und war ebenfalls meist deutlich höher, aber immer deutlich unter 1%.

    1. O2 benötigen wird zum Atmen
    2. CO2 brauchen die Pflanzen zur Photosynthese

CO2 wird im Kohlenstoff-Kreislauf umgewandelt. (siehe Ökologie). Unter anderem trägt es während der Plattentektonik zur Bildung von ozeanischem Sedimentgestein bei.

Wasser reagiert mit CO2 um Kohlensäure zu bilden. Die Kohlensäure reagiert mit Calcium und Magnesium - Silicatgestein zu Calciumcarbonat CaCO3 ( Kalkstein) oder Magnesiumcarbonat = MgCO3 ( Dolomit) und Siliziumoxid SiO2 (Quartz).

CO2 + CaSiO3 => CaCO3 + SiO2 oder

CO2 + MgSiO3 => MgCO3 + SiO2

Diese werden hauptsächlich in den Ozeanen als Sediment begraben. Dies bedeutet einen Verlust der atmosphärischen Konzentration. Ursprünglich entsteht CO2 durch Lava und Gase, die aus den Spalten und übereinanderliegenden Erdplatten ausströmen. Dort entsteht CO2 wieder aus den Materialien zurück, die an der Oberfläche dadurch entstanden sind.

CaCO3 + SiO2 => CO2 + CaSiO3

Das Calciumsilicat (CaSiO3) strömt als Lava aus und bildet einen Teil der Erdkruste, das CO2 entweicht bei Vulkanexplosionen bzw. gast in Subduktionszonen aus. Dieser Zyklus dauert Jahrmillionen.

Dieser geologischer Kohlenstoffkreislauf ist unten abgebildet, zusammen mit der Plattentektonik.

Dabei ist Corg das Abbauprodukt durch die Kohlenhydrate aus der Photosynthese.

  1. Astenosphäre (Erdmantel)
  2. Lithosphäre (Erdkruste)
  3. Kontinentalkruste - meist Granit
  4. ozeanische Kruste (meist Basalt)
  5. Sediment in den ozeanischen Becken
  6. Eruptionsgestein (Lava)
  7. Ozean

Die Bereiche der Umwandlung sind Subduktionszonen, in denen sich eine Erdplatte unter die andere schiebt. Die Erde erhitzt sich in unteren Bereichen, Vulkane entstehen.

Das atmosphärische CO2 ist also die Differenz aus der Ausgasung des Eruptions- und Umwandlungsgesteins und dem Verbrauch durch Photosynthese und Wetter.

Ohne Photosynthese würde der ganze Sauerstoff sich mit den reaktiven Mineralien und organischen Stoffen verbinden. Dadurch würde sich CO2 in der Atmosphäre anreichern, was zu einem Super-Treibhauseffekt wie auf der Venus führen würde.

Die Organismen tragen also ist also direkt zur Stabilität unserer Atmosphäre bei.

Das Fehlen von Sauerstoff in der frühen Atmosphäre bedeutete, daß es keinen Ozonschicht gab. [Man braucht mindestens 0.2% atmosphärischen Sauerstoff um eine Ozonschicht zu bilden]. Die ultraviolette (UV) Strahlung war deshalb recht hoch. Die frühen Ozeane, die ca. 90% der Erde bedeckten waren vermutlich sehr warm, ca. 80-100 °C, mit hohen Konzentrationen an Schwefel und CO2 und einem niedrigen pH von 6.0.

Die Luft und die Meerestemperaturen kühlten sich auf ca. 30-50 °C vor 3.2 Milliarden Jahren ab und die atmosphärische CO2-Konzentration nahm ständig ab, als sich mehr Landmassen bildeten.

Kontinentalverschiebung
Um die globale Verbreitung von Fossilien verstehen zu können, ist weiterhin die Kenntnis der Kontinentalverschiebung nach Alfred Wegener wichtig. (siehe oben)

Danach hat sich im Laufe der Erdgeschichte die Landmasse vor ca. 250 Millionen Jahren zu einem Urkontinent zusammengetan, genannt Pangäa, aus dem alle heutigen Kontinente hervorgegangen sind.

 Eine Animation dieses Vorgangs seit der Bildung von Pangaea ist oben zu sehen.

Dies erklärt die Verbreitung gleicher Fossilien über die südlichen Kontinente.

Die Fossilien wie Cynognathus, Glossopteris, Lystrosaurus und Mesosaurus sind unten genauer beschrieben.

Glossopteris browniana

Glossopteris war eine Gattung bestimmter Samenfarne, die in Indien, Südamerika, Südafrika, Australien und in der Antarktis gefunden werden.

Sie wurden Ende des Trias ausgerottet.

Mesosaurus

war ein fleichfressendes Reptil im Süßwasser des späten Carbons bis frühen Perms. Er war leicht gebaut, hatte einen verlängerten Kopf und einen flachen Schwanz und maß insgesamt ca. 45 cm.

Er war eines der ersten aquatischen Reptilien nach der Eroberung des Landes durch die Tiere.

Cynognathus

war ein säugetierähnliches Reptil (Therapsid), etwa wolfsgroß und lebte zu Beginn des Trias.

Er besaß einen kurzen Schwanz, war Fleischfresser und vermutlich Warmblütler.

Lystrosaurus war ein kräftig gebautes, ca. 1m langes Säugetier-ähnliches Reptil zu Beginn des Trias. Er besaß einen kurzen Schwanz und statt Zähne 2 Fangzahn-artige Gebilde aus Horn.
Er war ein Pflanzenfresser und lebte in Herden in der Nähe von Sümpfen.

Beim Studium der Fossilien sind 3 Fakten von Bedeutung:

  • Fossilien repräsentieren die Überreste früherer Lebewesen
  • Die meisten Fossilien sind von ausgestorbenen Organismen
  • Die Fossilien in Gestein verschiedenen Alters differieren, da sich die Erde mit der Zeit geändert hat.

Links Sandstein in Arizona USA, Grand Canyon

Wenn wir die oberste Schicht untersuchen und dann immer weiter zu älteren Schichten gehen, kommen wir irgendwann zu einer Schicht, die keine menschlichen Fossilien mehr beinhaltet. Gehen wir weiter in der Zeit zurück kommen wir zu Schichten, wo wir keine Fossilien von Blütenpflanzen, keine Vögel, keine Säugetiere, keine Reptilien, keine Amphibien, keine Landpflanzen, keine Fische, keine Muscheln und keine Tiere mehr finden.

Die oben genannten 3 Fakten werden zum Gesetz der Fossilisation zusammengefaßt:

Die Fossilien der Pflanzen und Tiere ändern sich mit der Zeit. Finden wir die gleichen Fossilien in Gestein an verschiedenen Orten, haben sie dasselbe Alter!

Man nennt die in bestimmtem Gestein typischen Fossilien Leitfossilien.

Beispiel der Zuordnung eines Fossilfundes:

Fossilfundstätte in Neuschottland, Canada
Rekonstruktion des Saurierskeletts ( Anchisaurus sp.), das links gefunden wurde

Stellen Sie sich vor, wir finden hier (siehe oben links) ein Skelett eines Tieres. Wie können Sie die Zugehörigkeit zu einer Spezies und das relative Alter des Skeletts bestimmen?

Man kann nun entweder irgendwelche Geschichten erfinden oder einen Paläontologen fragen, der mit all seinem wissenschaftlichen Verstand aufgrund 500 Jahren Wissenschaftsgeschichte und 250 Jahren geologischer Forschung nachweist, daß es sich um einen Dinosaurier, vermutlich Anchisaurus handelt, der überall in der Welt nur in Gestein des späten Trias und frühen Juras (Mesozoikum) also vor ca. 200 000 000 Jahren existierte.

Wie kommt man zu dieser Aussage?

Knowhow aus der Geologie und Paläontologie hilft uns, besonders:

die STRATIGRAPHIE, die BIOSTRATIGRAPHIE und die GEOCHRONOLOGIE. Das Wissen geht zurück bis ins 17. Jahrhundert. Wir berücksichtigen die

  • 4 Prinzipien der STRATIGRAPHIE von Nicolaus Steno (1638-1686)
  • das Prinzip des UNIFORMITARIANISMUS von James Hutton (1726-1797)
  • die Prinzipien der Leitfossilien nach William Smith 1769-1839
  • die Erkenntnisse Charles Lyells (1797-1875) und
  • Charles Darwins (1811-1882).
  • Zur radiometrischen Altersbestimmung des Gesteins verlassen wir uns auf die Vorschläge und Prinzipien von Ernest Rutherford (1902), Bertram Boltwood 1905 und Arthur Holmes 1911- 1927.

Wie man sieht, steckt eine geballte Ladung Fachwissen hinter einer einfachen wissenschaftlichen Aussage.

Die Nachzeichnung der Schichten in der Fundstelle verdeutlicht die Gesteinsunterschiede. Der Geologe analysiert zunächst die Gesteine der Fundstelle:

1. der geschichtete Sandstein ist jünger als der aus Lava entstandene Basalt links und unten. Auch kann er über die wahrscheinliche Herkunft des Sandsteins etwas sagen.

Nun untersucht er die Knochen des vermeintlichen Fossils.

2. Vergleichende anatomische Kenntnisse überzeugen ihn, daß es sich um einen Saurier ( vermutlich Anchisaurus) aus dem Ende des Trias im Mesozoikum handeln muß.

Ein wichtiges Merkmal für Saurier ist das Loch in der Hüftpfanne.(siehe rechts)

Nun analysiert er die Erdformation der umliegenden Gegend.

3. Das Bild unten zeigt den Lavafluß als braunen und grauen Basalt der nördlichen Gebirge, typisch für Ablagerungen aus dem Trias und frühen Jura.

Er führt eine radiometrische Altersbestimmung durch.

Untersuchungen mit der K/Ar-Methode ergeben ein Alter von ca. 200 000 000 Jahren.

Er sucht nach weiteren Fossilspuren aus der vermuteten Zeit.

Die graue Schicht am unteren Bildrand enthält fossile Pflanzenpollen. Sie korrelieren gut mit Funden aus England und Deutschland aus Trias und Jura.

Unterhalb der grauen Schicht befinden sich unterschiedliche fossile Pollen, wie sie an der Fundstelle des Sauriers zu sehen sind.

Der Geologe schließt daraus, daß die Steine, die um die Saurierknochen lagen jünger sind, wie der Lavafluß im Trias/Jura-Übergang.

Weitere Überprüfungen anderer Fossilien und alternative Altersbestimmungen folgen usw.

Da wir Biologen keine Geologie studiert haben, können wir diese Schlußfolgerungen zunächst nicht exakt nachvollziehen.

Weiterführende Quellen:

Evolution

http://www.iup.edu/~rgendron/bi112-a.html
http://www.nap.edu/readingroom/books/evolution98/contents.html
HTTP://biology.fullerton.edu/courses/biol_404/web/hol/hol_ch1.html

Fossilien, Gestein und Zeit

http://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html

Dynamik der Erde, Plattentektonik

http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
http://www.mc.maricopa.edu/academic/phy_sci/Geology/tectonic/index.html

Kontinentaldrift

http://www.clearlight.com/~mhieb/WVFossils/continents.html

Fossilien

http://geology.er.usgs.gov/paleo/groups.shtml

Lebende Fossilien

http://www.palaeo.de/edu/lebfoss/ausstellung/index.html

Alter der Dinosaurier

http://www.nova.edu/ocean/biol1090/W-DINO-SYLLABUS.htm

Quartär und Altersbestimmung

http://academic.emporia.edu/aberjame/ice/lec10/lec10.htm

Paläontologie

http://www.amnh.org/index.html
http://www.ucmp.berkeley.edu/index.html
http://www.geologie.uni-halle.de/palges/pg.html
http://www.fossil-company.com/time_line/index.html

Karten der Erde der Vorzeit

http://www.scotese.com/earth.htm

Erdgeschichte, Geologie

http://pubs.usgs.gov/gip/geotime/contents.html

Fossilisation

http://www.mov.vic.gov.au/dinosaurs/fossintro.stm