Fossil

Begriff und Fossilisation

Ein Fossil ist jedes Zeugnis vergangenen Lebens der Erdgeschichte, das älter als 10.000 Jahre ist und deshalb einem geologischen Zeitalter vor dem Beginn des Holozäns zugeordnet wird. Fossilien können körperliche Überreste von Lebewesen sein oder Spuren ihrer Tätigkeit. Ihre Entstehung heißt Fossilisation, ihre wissenschaftliche Erforschung Paläontologie.

Nicht jedes Fossil ist eine Versteinerung: Eine Versteinerung entsteht durch Mineralisierung, also wenn organisches Material durch Minerale ersetzt wird. Fossilien können aber auch ohne vollständige Mineralisierung erhalten sein. Seit Beginn des Phanerozoikums vor 538,8 Millionen Jahren sollen etwa eine Milliarde Tier- und Pflanzenarten entstanden und überwiegend wieder ausgestorben sein; manche Schätzungen nennen 1,6 Milliarden. Weit unter ein Prozent dieses Artenreichtums ist fossil überliefert. Fossilisation erfordert besondere Bedingungen, und Fossilien können später durch Verwitterung, Erosion oder Gesteinsmetamorphose zerstört werden. Bis 1999 waren rund 250.000 fossile Arten wissenschaftlich beschrieben.

Als Adjektiv bedeutet fossil auch geologisch relativ alt, etwa bei fossilen Energieträgern oder fossilem Wasser. Das Gegenteil lautet rezent. Bildungen im Grenzbereich können subfossil oder subrezent heißen; dies betrifft die Zeit des Quartärs bis etwa 8000 v. Chr. In der Paläobotanik kann subfossil außerdem eine unvollständige Fossilisation bezeichnen. Der Fossilbericht oder die Fossilüberlieferung umfasst alle bekannten fossilen Arten und ihre Vorkommen.

Körperfossilien und ihre Erhaltung

Körperfossilien gehen unmittelbar auf ganze Körper oder Körperteile toter Lebewesen zurück. Makrofossilien sind mit bloßem Auge sichtbar und können Hausgröße erreichen. Mesofossilien sind nur mit einer Lupe, Mikrofossilien mit einem Lichtmikroskop und Nannofossilien mit einem Elektronenmikroskop sichtbar.

Bei der Originalerhaltung bleibt Körpersubstanz unverändert erhalten oder wird teilweise beziehungsweise vollständig durch Minerale ersetzt. Meist erhalten sich mineralische Hartteile, nicht Weichteile. Weichteile haben ein geringes Erhaltungspotenzial; mit zunehmendem Alter einer Sedimentschicht wird ihre Überlieferung unwahrscheinlicher. Relativ beständige organische Stoffe sind beispielsweise Chitin von Arthropoden und Sporopollenin von Pollen und Pflanzensporen. Pflanzen sind häufig inkohlt erhalten: Unter Luftabschluss wird ihr Gewebe entwässert und chemisch umgewandelt, wodurch Kohlenstoff angereichert wird. Selten bewahrt Bernstein Pflanzenteile und vor allem kleine wirbellose Landtiere, meist Insekten.

Ein Steinkern entsteht, wenn Sediment einen Hohlraum im Gehäuse eines eingebetteten Tieres ausfüllt und das ursprüngliche Außenskelett später weggelöst wird. Er ist typisch für prä-känozoische Mollusken mit aragonitischem Gehäuse, besonders Ammoniten, Schnecken und bestimmte Muscheln. Beim Prägesteinkern prägt sich die äußere Gehäuseskulptur auf die erhaltene Hohlraumfüllung. Ein Marksteinkern ist die mit Sediment gefüllte Markhöhle schwach verholzter Pflanzenstängel, etwa von Riesenschachtelhalmen (Calamiten). Ein Abdruck ist die Negativform eines Körperfossils oder Steinkerns. Bei Wirbeltieren kann nach Auflösung der Skelettsubstanz nur ein Abdruck bleiben; zur anatomischen Untersuchung wird er mit Latex oder Silikon ausgegossen.

Spurenfossilien

Spurenfossilien oder Lebensspuren sind Zeugnisse von Lebewesen, die nicht auf deren tote Körper zurückgehen. Sie entstanden meist durch deren Tätigkeit. Dazu gehören Trittsiegel, Fährten, Grabgänge im Sediment, Bohrspuren in fossilem Holz oder Kalkstein sowie Fraß- und Weidespuren, zum Beispiel Bissmarken an Knochen.

Auch fossile Eierschalen in Gelegen und Verdauungsrückstände zählen dazu. Kleine Kotpillen von Fischen oder Wirbellosen sind im Gestein oft nicht mit bloßem Auge zu sehen. Größere Koprolithen, fossile Gewölle und Speiballen bilden ein Bindeglied zu Körperfossilien, weil sie häufig Originalmaterial von Beutetieren enthalten.

Bedeutung für Evolution und Lebensräume

Die Vielfalt der Fossilarten ist ein wichtiges Argument für die Evolutionstheorie. Der Fossilbericht zeigt, dass im Verlauf der Erdgeschichte zahlreiche Lebensformen entstanden und wieder verschwanden. Er enthält sowohl Verwandte heutiger Organismen als auch früher erfolgreiche, aber ohne Nachkommen ausgestorbene Tier- und Pflanzengruppen. Zusammen mit sedimentologischen Untersuchungen, insbesondere der Bestimmung des Ablagerungsmilieus, lassen sich Entwicklungen über ökologische Grenzen hinweg nachvollziehen, etwa der Landgang höherer Pflanzen, Gliederfüßer und Wirbeltiere.

Fossilien liefern außerdem Hinweise auf frühere geographische und ökologische Verhältnisse. Arten oder Ichnospezies, die für ein bestimmtes Ablagerungsmilieu typisch sind, heißen Zeigerfossilien oder Faziesanzeiger. Kombinationen von Körper- und Spurenfossilien können Nahrungsketten urzeitlicher Ökosysteme erkennen lassen; abgebrochene Tyrannosaurus-Zähne in Knochen pflanzenfressender Dinosaurier sind ein Beispiel für Prädationsspuren. Pflanzenreste in der Magengegend des permzeitlichen Reptils Protorosaurus widersprachen dagegen seiner früheren Einstufung als reiner Fleischfresser.

Stabile Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope in original erhaltenen Fossilien können lokale oder globale Umweltverhältnisse und Paläotemperaturen erschließen. Eine weitere Methode vergleicht die maximale Körpergröße eng verwandter wechselwarmer Wirbeltiere aus verschieden alten Schichten: Sie soll relative Unterschiede der mittleren Umgebungstemperatur anzeigen. Mikrostrukturen von Meeresorganismen zeigen zudem, dass die Tageslänge infolge von Wechselwirkungen im Erde-Mond-System über Jahrhundertmillionen kontinuierlich zunahm.

Zu den ältesten Fossilbelegen zählen Stromatolithe aus dem Isua-Grünsteingürtel in Grönland mit einem zugeschriebenen Alter von bis zu 3,7 Milliarden Jahren. Als Fossilien primitiver Einzeller gedeutete Hämatit-Filamente aus Bändereisenerzen des Nuvvuagittuq-Grünsteingürtels könnten bis zu 4,28 Milliarden Jahre alt sein; ihr Fossilstatus beziehungsweise Ursprung ist damit nicht endgültig gesichert. Die Funde stützen die Hypothese, dass Leben an untermeerischen hydrothermalen Quellen entstanden sein könnte.

Stratigraphie und Leitfossilien

In einem ungestörten Stapel aus Sedimentgesteinen liegen nach dem Gesetz von Steno die ältesten Schichten unten und die jüngsten oben. Dadurch lässt sich das relative Alter einer Schicht oder eines Schichtintervalls im Vergleich zu anderen Schichten bestimmen.

William Smith erkannte gegen Ende des 18. Jahrhunderts, dass Schichten bestimmten relativen Alters charakteristische Fossilien enthalten. Damit konnte man Schichten anhand ihres Fossilinhalts korrelieren, also auch bei unterschiedlicher Gesteinsausbildung zeitlich zuordnen. Dies begründete die Biostratigraphie und die Geologische Zeitskala. Radiometrische Datierung ermöglichte im 20. Jahrhundert absolute Altersangaben. Meist werden nicht die fossilführenden Sedimentgesteine selbst, sondern magmatische, oft pyroklastische Gesteine über und unter ihnen datiert; so ergeben sich Mindest- und Höchstalter für das fossilführende Intervall.

Leitfossilien dienen zur Bestimmung des relativen Alters sedimentärer Abfolgen, im günstigsten Fall einzelner Schichten. Gute Leitfossilien treten erdgeschichtlich kurzzeitig, häufig und geographisch weit verbreitet auf, sind weitgehend faziesbrechend und leicht erkennbar. Trilobitenarten sind vom Unterkambrium (538,8 mya) bis zum Obersilur (419,2 mya) wichtige Beispiele; Ammonitenarten vom Unterdevon (419,2 mya) bis zur Kreide-Tertiär-Grenze (66 mya). Beide Gruppen lebten ausschließlich im Meer, wie die meisten Leitfossilien der klassischen Biostratigraphie.

Fundorte und Abgrenzungen

Fossilien finden sich vor allem in Sedimentgesteinen des Phanerozoikums, also in Sedimenten der letzten etwa 540 Millionen Jahre. Fossillagerstätten sind Schichten mit besonders vielen oder besonders gut erhaltenen Körperfossilien. Sammeln lassen sich Fossilien an natürlichen Aufschlüssen sowie in Steinbrüchen, Straßen- oder Bahneinschnitten und manchmal in Bohrkernen. Bedeutende deutsche Fundstellen sind unter anderem die Grube Messel mit Säugetierfunden aus dem Eozän, Solnhofen und Eichstätt mit Archaeopteryx aus dem Oberjura sowie Holzmaden mit Ichthyosauriern aus dem Unterjura.

Pseudofossilien sind natürliche anorganische Bildungen, die Organismen ähneln, etwa Mangandendriten oder Faserkalk. Auch rezente Bohrspuren von Tieren in Kalkstein können mit Fossilien verwechselt werden. Dubiofossilien sind entweder echte Fossilien mit zweifelhafter taxonomischer Stellung oder Bildungen, deren Status als Fossil umstritten ist. Fossilienfälschungen dürfen nicht mit korrekt als solchen ausgewiesenen Abgüssen echter Fossilien verwechselt werden.

Ein lebendes Fossil ist eine heute existierende Tier- oder Pflanzenart, deren grundlegender Körperbau sich von dem ihrer Vorfahren nur wenig unterscheidet. Es handelt sich dabei nicht um ein Fossil im eigentlichen Sinn, sondern um einen bildhaften Ausdruck.