Fossilien

1. AllgemeinesFossilien- lat. Fossa = Gebeine- lat. fossilis = ausgegraben- bis ins 18. Jhd. alles was aus Erde ausgegraben (Überreste toter Lebewesen, Mineralienoder von Menschen hergestellte Gegenstände)- heute: Reste und Spuren vorzeitlicher Pflanzen und Tiere, die in Sedimenten, sehr seltenauch in vulkanischen Tuffen erhalten- älter als ca. 10.000 Jahre, bzw. ausgestorben- Struktur blieb bis heute erhalten- andere (alte) Bezeichnungen: „Petrefakten“, „Versteinerung“ (falsch, da nur Teilmenge derFossilien)- Paläontologie: wissenschaftliche Erforschung der Fossilien- fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle: Überreste vorwiegend pfl. Substanzen(Biomasse)- meisten Fossilien bestehen entweder aus Schalen oder einzelnen Knochen- komplette Skelette sehr selten- ältesten Fossilien: Stromatolithen vor 3,5 Mill. J. aus Blau- und Grünalgen entstanden in Australien gefunden- ältesten Fossilien von mehrzelligen Lebewesen: über 700 Mio. J. alt- aus Australien Spuren von 600 Mio. J. alten Quallen (in Sandstein eingebettet)- älteste Fossilien von Fischen 430 Mio. J. alt- Ostafrika: 3 Mio. J. alte Skelett eines weiblichen Australopithecus (Bindeglied zw.Menschen und affenartigen Vorfahren)2. Entstehung / Arten- normalerweise: tote Organismen in Kreislauf organisches Material zersetzt (Verwesung durch Anwesenheit von Wasser und Sauerstoff) als anorganische Grundbaustoffe Umwelt wieder zugeführt Prozess der Fossilisation Sonderfall- entscheidend: schnelle Einbettung von Überresten im Sediment (Schlamm, Sand o.ä.), bevorvollständige Zersetzung durch Verwesung oder Fäulnis- Fossilisation: Strukturen durch chem. Prozesse in Mineralien umgewandelt oder durchsolche nach und nach ersetzt gut erhaltene Fossilien an Orten mit schneller Sedimentation (Sümpfe, Seen, Moore undFlachmeere)- Normalfall: nur Hartteile (Schuppen, Knochen, Zähne, Schalen und Gehäuse) erhalten widerstehen Zersetzungsprozess länger als Weichteile- seltene Fälle: auch Weichteile erhalten (z.B. Ediacara-Fauna in Australien, Burgess-Shale-Fossilien in Kanada oder Chengjiang-Fossilien in China)Versteinerungen- häufigsten Fossilien- Fossilien von Mineralien (z.B. Kieselsäure, Kalk und Dolomit) durchsetzt kristallisieren im Laufe der Zeit konservieren originale Form- Holz von Kieselsäure durchdrungen Jahresringe bleiben erhalten Verkieselung- Tiere nur harte Bestandteile (Knochen, Zähne, Schalen) übrigSteinkerne- verwesendes Tier hinterlässt Hohlraum im umgebenden Gestein

mit Zeit von einsickernden Mineralien ausgefüllt- geben inneren Abdruck d. Hartteile wieder (z.B. Muschelschalen)Abdrücke nur Negativz. B. Ammoniten, Schnecken und Muscheln infolge chemischer Auflösung ursprünglicheObjekt verschwunden- Abdrücke von Weichteilen: durch Eindringen von Mineralsalzlösungen in Hohlräumeentstanden nach Auflösung der Weichteile zurückgeblieben- Verdunstung Wassers ausgefallenen Mineralsalze füllten Hohlräume ausSpurenfossilien- z.B. Fußabdrücke von Sauriern- „Rollsiegel“ von Ammoniten wenn leere Ammonitenschale über Grund des Meeres rollt durch Strömung angetriebenEinschlüsse (Inklusen)- kleine Tiere von Tropfen Baumharz umschlossen zu Bernstein- Tier luftdicht eingeschlossen vor Verwesung geschützt- meistens: Insekten, aber auch Würmer oder Schnecken, angeblich sogar kleine Reptilien- auch Pflanzenbestandteile (Pollen und Blätter) als Bernsteineinschlüsse- bes.: an Ostsee (30 Mio. J.)- Insekten sonst nicht (selten) erhalten, genauso wie Vögel, da Knochen dünn und sehrzerbrechlich- in kalten Gebieten entstehen durch dauerhaftes Einfrieren- Dauerfrostböden in Sibirien und Alaska vollständige Mammuts und Wollnashörner- weiteres Bsp.: ÖtziInkohlung- Fossilien von Pflanzen unter bestimmten sehr warmen Temperaturbedingungen undLuftabschluss in Kohlenstoff umgesetzt = Inkohlung Stein- und Braunkohlelager, bzw. Torf (je nach Druck und Temperatur)- v.a. im Torf und Steinkohleflözen noch gut erhaltene Überreste von Farnen aus Oberkarbon,Schachtelhalmen und BärlappgewächsenMumifikation / Mumifizierung- gerbstoffhaltiges Wasser eines Moores (Moorleichen)- extreme Trockenheit – völlige Austrocknung Erhaltung von Organismen durchkonservierende Stoffe (z.B. Gerbstoffe) Mumien der ÄgypterKörperfossilTier komplett erhalten mit allen Weichteilen (z.B. gefrorenes Mammut)3. Bedeutung- große Bedeutung für Evolution- zeigen: im Laufe der Zeit unzählige Arten auf Erde entstanden und verschwunden- ehemalige Vielfalt aus heutigen Kenntnis nicht zu beschreiben- wann ersten Lebewesen vom Meer aufs Land gezogen, wie Dinosaurier aussahen usw.- Paläontologen können aus wenigen Knochen Nachbildungen der ganzen Tiere herstellen- nur winziger Teil der Arten die jemals auf Erde lebten als Fossilien erhalten- meisten Fossilien von Schalentieren, die in seichten Meeren lebten- selten Tiere mit weichen Körpern (Würmer, Tiere, die an Land lebten), nur harten Teile- Hinweise auf ehemalige geographische und ökologische Verhältnisse

- Auskunft über besondere Umstände, die zu seiner Erhaltung geführt haben- Reste treten nacheinander in Abfolge der Gesteine auf- ältere Gesteinsschichten Fossilien einfacher gebauter Lebewesen- jüngere Schichten Reste höher entwickelter Lebewesen Bestimmung zu welcher Zeit Tiere oder Pflanzen gelebt haben- Anordnung versteinerter Fußspuren wie schnell gelaufen- Knochen Körpergröße- fossile Eier (teilweise noch mit Küken drin) Vermehrungsweise und Brutpflege- Zähne und versteinerter Kot Ernährung- Anzahl in Herden oder einzeln- manchmal: Bakterien verraten uns viel über Aussehen von urzeitlichen Tieren z.B. "Hautschatten" der Messel Fossilien durch Bakterien entstanden die langsamWeichteile fraßen und mit Ihren Ausscheidungen genauen Umriss des Tieres wiedergeben- Messel-Urpferdchen: Hautschatten kleine OhrenCharles Darwin Evolutionstheorie- fünfwöchiger Aufenthalt auf Falklandinseln fand versteinerte Muscheln, Zahnfunde von ausgestorbenen Rüsseltieren undnashorngroßen Huftieren, versteinerte Bäume usw.- bedeutender Fund: Skelett und Hautreste eines Riesenfaultiers und riesigen kamelartigenTieres- Ähnlichkeit mit dort lebenden Guanakos und Lamas Theorie: heutigen Organismen veränderte Nachkommen fossiler Arten Beweis fürWandelbarkeit der Arten- frühere Ansicht: alle Arten einzeln geschaffen und für alle Zeit unveränderlich- erstmals Verbindung zwischen Eidechsen und Schlangen Übergang von einer Tierart zuanderenGesetzmäßigkeiten:1. Fossilien passen zusammen mit heute lebenden Arten in natürliches System der Lebewesen2. Fossilien unterscheiden sich von in rezenten Formen umso stärker, je älter sie sind3. vergleichbare Fossilien eng beieinander liegender Gesteinsschichten Gemeinsamkeiten4. Fossile und rezente Arten eines bestimmten Kontinents ähneln sich stark.4. Altersbestimmung4.1. Radiometrische Altersbestimmungen (genaue Zeitbestimmung)- Entdeckung Radioaktivität 1896 Möglichkeit radiometrischen Altersbestimmung- Theorie: Atome radioaktiver Isotope (Uran, Thorium) zerfallen gesetzmäßig zunichtradioaktiven Isotopen- Isotope: Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Masse- radioaktiver Zerfall: spontaner Prozess Isotop verliert Partikel seines Kerns, um Isotop eines neuen Elements zu bilden Zerfallsgeschwindigkeit als Halbwertszeit (Hälfte zerfallen) angegeben meisten radioaktive Isotope haben kurze Halbwertszeiten- langsam zerfallende Isotope verwendet- Mengenverhältnis Mutter-/Tochterisotop in Mineral aber: nur unter günstigen Bedingungen radiometrische Alter gleich Alter Gesteine- Ergebnisse nach Ablauf Halbwertszeit immer ungenauer

- am häufigsten verwendete Isotope:Ausgangsisotop Stabiles Produkt HalbwertszeitUran-238 Blei-206 4.5 Milliarden JahreUran-235 Blei-207 704 Millionen JahreThorium-232 Blei-208 14.0 Milliarden JahreRubidium-87 Strontium-87 48.8 Milliarden JahreKalium- 40 Argon-40 1.25 Milliarden JahreSamarium-147 Neodym-143 106 Milliarden Jahre4.1.1 Kalium-Argon-Methode- radioaktives K-40 Ag-40 + Ca-40- häufig verwendet- bei Gestein, das zw. einigen Tausend und Mill. Jahren alt exakte Ergebnisse- Kalium in meisten Gesteinen vorhanden- lässt sich samt Zerfallsprodukt Argon selbst in kleinsten Mengen messen- Probe des zu bestimmenden Materials in evakuierten Gefäß geschmolzen Gase inMassespektrometer geleitet- Anzahl Argonatomen Menge an zerfallenem Kalium berechnet- bekannt: wie viel Argon pro sek. in einem Gramm Kalium entsteht Formel wie alt Probe- Problem: Entweichen von Argon (wenn Temp. über 125 °C) Messergebnis verfälscht4.1.2. Radiokarbonmethode- 1947 von W.F. Libby entwickelt- durch Stoffwechselprozesse Niveau von Kohlenstoff 14 bleibt in lebenden Organismus inkonst. Gleichgewicht mit Niveau Atmosphäre (oder Meer) Tod Organismus C-14 zerfällt mit konst. Geschwindigkeit- Halbwertszeit T H =5736 a-- C-14 N-14 + e (Beta-Strahlung)- Probe im Vakuum in Ethen umgewandelt durch Massespektrometer 14C-Gehaltgemessen bei bis zu 50000-70000 Jahren alten Proben- Voraussetzung: ursprüngliche C-14 Konzentration in Erdatmosphäre über viele Jahrtausendebekannt- Änderungen 14C –Konzentration: durch Schwankungen Intensität kosmische Strahlung undlangsame Änderung des Erdmagnetfeldes- Aneinanderreihung von Jahresringen alter Bäumen bekannten Alters und Überlappung mitJahresringen von historischen und archäologischen Holzfunden lückenlose Jahresringfolge über letzte 8000-9000 Jahre erstellen Eichmaterial bekannten Alters C-14 Konzentration in Atmosphäre über letzten 9000 Jahre bestimmt werden- Verhältnis von 14C- zu 12C-Atomen im Körper 1:100 12C zerfällt nach Tode nicht Veränderung Verhältnisses 14C und 12C Maß für Alter4.1.3. Rubidium-Strontium-Methode- sehr genau, zuverlässig- ältesten Gesteine können datiert werden- Zerfall von Rubidium 87 zu Strontium 87- um Kalium-Argon-Datierungen zu überprüfen- Strontium verflüchtigt sich nicht so schnell bei Erwärmung wie Argon

4.1.4. Uran-Blei-Methode- radioaktiven Zerfall von Uran 238 in Blei 206 und von Uran 235 in Blei 207, Funde bis 4,5Mill. Jahre- Altersbestimmung über Gehalt im Gestein, da Isotope keine Rolle für Organismus4.2. Relative Zeitbestimmungen4.2.1. Stratigraphie (Schichtabfolgen im Gestein)- zwei grundlegende Prinzipien:(1) fast alle Sedimente horizontal abgelagert (selten Schrägschichtungen) jede Schiefstellung oder Verfaltung muss jünger sein(2) - in ungestörten Schichtenfolge: höher liegende Schichten jünger als tiefer liegende- Sedimente setzen stets auf bereits abgelagerten Sedimenten ab- Sedimente sehr genaue Anzeiger für Milieu, in dem sie entstanden- Zustand Lithosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre hinterließen Spuren- Schichtenfolge Abbild eines Abschnitts der Erdgeschichte- keine absoluten Zahlen relative Zeitskala- zusammen mit radiometrischen Messungen relativ genaues Bild- an keiner Stelle Erde Schichten aus ältesten Zeiten bis heute durchgehend gebildet,Schichtenfolgen durch Erosion oft lückenhaft trotzdem: durch stratigraphische Forschungen Erdgeschichte insgesamt lückenlosrekonstruiert4.2.2. Leitfossilien- Fossilien von Lebewesen, die nur in kurzen Zeitabschnitt auftraten kennzeichnend fürdiesen geologischen Zeitabschnitt und abgelagerte SedimentschichtenBedingungen:1. nur während möglichst kurzen Zeit gelebt (erhöht Genauigkeit der relativenAltersbestimmung)2. geographisch möglichst weit verbreitet gewesen (erlaubt, auch weit voneinander entfernteGesteinsschichten als gleich alt zu erkennen)3. möglichst faziesunabhängig (in Schichten verschiedener Ablagerungsräume zu finden)4. häufig zu finden- gut geeignet: Tier- und Pflanzengruppen, die sich rasch und formenreich entwickelt- wichtige Leitfossilien: z. B. Trilobiten (Kambrium bis Silur)Graptolithen (Ordovizium und Silur)Ammoniten (Mesozoikum, besonders Trias und Jura)Schnecken und Muscheln (Tertiär und Quartär)- wichtig: Klein- und Mikrofossilien, die nur unter Mikroskop erkennbar sind- z.B. Foraminiferen, Conodonten (harte Überreste, wie Zähne und Schalen, ausgestorbenerwurmähnlicher Tiere, die vor etwa 570 bis 200 Mio. J. lebten), Diatomeen (Kieselalgen),Pollen und Sporen- nicht für alle Epochen charakteristische Leitfossilien4.2.3. Aminosäure-Uhr- im lebenden Organismus alle Aminosäuren linksdrehende Isomere- Tod wandeln sich in rechtsdrehende Formen um- Umwandlung erfolgt mit definierten Geschwindigkeit- Prozentsatz an rechtsdrehenden Aminosäuren Rückschlüsse auf Alter- nur für Funde die nicht älter als 100 000 Jahre

4.3. Verifikation der Altersbestimmung- über 40 radiometrische Altersbestimmungsmethoden+ relative Altersbestimmung- stimmen in Ergebnissen überein (über Millionen von Jahren hinweg)- Unterschiede im erwarteten Fehlerbereich- in verschiedenen Speziallabors rund um Welt5. Lebende Fossilien- für Evolutionsforscher sehr wichtig Rückschlüsse auf Lebensweise und Aussehen heute ausgestorbener Tiere- lebendes Fossil:• nur noch in wenigen, begrenzten Gebieten gefunden• weist verschiedene altertümliche Merkmale auf• hat relativ hohes erdgeschichtliches Alter- häufig auf Inseln oder Inselkontinenten, in Tiefsee, im Grundwasser, in trop. Urwäldern geographisch oder ökologisch isolierte Gebiete Feinde oder Konkurrenten weitgehend fehlen Überlebenschancen größer als etwa in Flachmeeren oder in offenen Landschaft dergemäßigten Zonen relativ stabile Umwelt kein Zwang der Anpassung an neue klimatischen oderökologischen Bedingungen- Bsp.: Australien: trennte sich als erstes vom Urkontinent lange fast unzugänglicher Kontinent Tiere zum großen Teil entwicklungsgeschichtlich primitiv Nachfahren von Tieren, die auf anderen Kontinenten längst ausgestorben- z.B. Beuteltiere, Krokodile, Schildkröten, Quastenflosser, Schnabeltiere, Ameisenigel undeinige Eidechsen- und Schlangenarten- Ausnahme: in Amerika auch Beuteltiere- Schnabeltier und Ameisenigel: einzigen Säugetiere, die Eier legen nur in Australien,Neuguinea und Tasmanien6. Die Häufigsten Fossilien- Ammoniten und Ceratiten kommt besondere Bedeutung zu6.1. Trilobiten- Kambrium: "Zeitalter der Trilobiten"- urtümliche Gliederfüßer mit dreigeteilten Panzer Kopfschild, beweglichem Rumpf undSchwanzschild- erste Tiere mit verkalkten und damit erhaltungsfähigem Skelett- Unterseite und Beine aus vergänglichem Chitin nur in Ausnahmefällen erhalten(Antennen und „Spaltbeine“ erkennbar)- großes Schreitbein zum Krabbeln und zum Aufwühlen des Meeresgrundes- kleines, federartiges Kiemenbein Atmung und feine Nahrungspartikel aus aufgewühltemSand sieben- Panzer: weniger zum Schutz, sondern als Filterkammer zur Nahrungsgewinnung- unter Beule des Kopfschildes: nicht Gehirn, sondern Magen wie Unterwasserstaubsaugerfunktioniert aus Untergrund (mit Beinen aufgewühlt) Verwertbares ausgefiltert und eingesaugt6.2. Ammoniten

- Verwandte der heute lebenden Tintenfische und des Nautilus (Perlboot)- lebten 330 Millionen Jahre (395-65 Mio. J.)- ca. 12 000 Arten, die sich auf etwa 1 500 Gattungen verteilen- Außengehäuse durch Querwände (Septen) in Kammern unterteilt- nicht gekammerte Gehäuseteil (Wohnkammer) umschloss Weichkörper- über Röhre (Sipho, Siphonalapparat) Kammern mit Weichkörper in Verbindung Regulierung Gas- und Flüssigkeitsstandes- Verwandte des heute noch lebenden Nautilus- Ammonit gestorben Weichkörper löste sich nach kurzer Zeit aus Gehäuse, wurdegefressen oder verweste- leere Schale driftete durch Meer und wurde beschädigt; Wasser drang ein und Gehäuse sankauf Meeresgrund mehr oder weniger vollständig mit Schlamm verfüllt Schale ganz im umgebenden Sediment eingebettet gute Chancen als Fossil Zeit zuüberdauern- häufigste Art: Erhaltung als "Steinkern" nur Gehäuseausfüllung mit Merkmalen derSchaleninnenseite erhalten6.3. Stachelhäuter- links oben: fünfstrahlig symmetrisches Stengelglied einer Seelilie- rechts oben: Abschnitt aus Seelilienstängel aus mehreren dieser Einzelglieder- links unten: keulenförmiger Seeigel-Stachel- rechts unten: Teil eines Fortsatzes einer Seelilie7. Bekannte Fundstätten von Fossilien in Deutschland• Grube Messel bei Darmstadt• Steinbrüche bei Solnhofen und Eichstätt Berühmte Fossilien Archaeopteryx über 700 verschiedene Tier und Pflanzenarten immer neue Fossilien aus Zeit des Weißen Jura 150 Mio. J.• Holzmaden in Baden-Württemberg• Bundenbach in Rheinland-Pfalz• Geiseltal bei Halle• Bilzingsleben in Thüringen- natürliche Aufschlüsse (Gestein tritt an die Erdoberfläche)- künstliche Aufschlüsse (z.B. beim Straßen- oder Tunnelbau)- Funde bisher meist aus Zufall gemacht- begrenzt möglich durch Wissenschaft groben Umkreis festzulegen- Knochen zunächst bis zur Hälfte ausgegraben und dann mit Schicht feuchtem Papierüberzogen leichte Gipsschicht (Schutz vor Beschädigung)- im Labor wieder ausgepackt und von Schmutz befreit- zusammengesetzt fehlende Knochen durch Glasfaser- oder Kunststoffknochen ersetzt7.1. Grube Messel- Hessen- am Rande des Odenwaldes, nahe Darmstadt, südlich von Frankfurt2- auf 0,7 km- im Ölschiefer außergewöhnlich gut erhaltene Fossilien- aus Zeit vor 49 Mio. Jahren- einmalige Informationen über alttertiäre Flora und Frühphase Säugetierentwicklung- 100 nachgewiesene Wirbeltierarten (40 Säugetierarten)- 30 vollständige Skelette des Messeler Urpferdchens (Propalaeotherium parvulum)

- Pflasterzahnkrokodil (Allognathosuchus gracilis)- Fingertier (Heterohyus)- Urfledermaus (Archaeoncyteris pollex)- igelartiger Insektenfresser (Macrocranion tenerum)- Urstrauß (Palaeotis weigelti)- für Flora und Fauna eine der bedeutendsten Fundstellen des Eozän- Fenster in Vorgeschichte- neben vollständig erhaltenen Skeletten teilweise auch Haut-, Fell- und Federstrukturensowie Magen- und Darminhalte- große Artenvielfalt gefunden sehr gute Qualität