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Fossilisation
Als Fossilisation bezeichnet man die Entstehung von Fossilien, das heißt der Überlieferung vergangener Lebewesen, die vor dem Beginn des Holozäns gelebt haben ( …
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Begriff und Ablauf der Fossilisation
Fossilisation ist die Entstehung von Fossilien, also die Überlieferung vergangener Lebewesen, die vor dem Beginn des Holozäns gelebt haben und damit älter als etwa 10.000 Jahre sind. Die Vorgänge laufen über geologische Zeiträume ab. Die Taphonomie untersucht Fossilisation und wertet erhaltene Fossilien aus; sie nutzt unter anderem Chemie, Biochemie, Geologie, Biophysik und Physiologie.
Der Ablauf umfasst meist Tod, Zersetzung, Einbettung, Entgasung sowie Diagenese und Metamorphose. Diese Phasen müssen jedoch nicht immer in dieser Reihenfolge oder nur einmal stattfinden. Ein Organismus kann beispielsweise unmittelbar eingebettet werden oder durch Verschüttung, einen Suspensionsstrom, einen pyroklastischen Strom oder das Versinken in Asphalt sterben. Ein zunächst eingebetteter Kadaver kann später wieder freigelegt werden, verwesen und erneut eingebettet werden.
Grundsätzlich kann jeder Körper unter passenden Bedingungen fossil erhalten werden. Massive Hartteile haben aber deutlich bessere Chancen als Weichteile oder sehr feine Hartteile. Günstig sind ein möglichst wenig zerstörerischer Tod, etwa durch Krankheit oder Ertrinken, und Schutz vor Aasfressern. Fossilien sind dennoch fast immer unvollständige Reste; meist ist der Verlust von Körperteilen erheblich.
Zersetzung und besondere Erhaltung
Nach dem Tod beginnt normalerweise die Verwesung, ein aerober, also sauerstoffabhängiger Zersetzungsprozess. Mikroorganismen bauen Proteine, Fette und Zucker zu einfachen anorganischen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid und Salzen ab. Aasfresser und andere nekrophage Tiere tragen mechanisch zur Zerstörung bei, indem sie Kadaver ausweiden, Teile verschleppen oder fressen. An der Sedimentoberfläche verschwinden Weichteile vollständig; bei teilweiser Einbettung betrifft die Verwesung vor allem die frei liegenden Bereiche. Bereiche an Augen, Mund, Anus oder Verletzungen zersetzen sich besonders schnell. Bei Wirbeltieren geht deshalb häufig der Unterkiefer verloren.
Hohe Temperaturen und Feuchtigkeit beschleunigen die Verwesung. Frost oder trockene Zugluft, etwa in Wüsten, hemmen sie. In einem anoxischen, sauerstofffreien Milieu tritt statt Verwesung Fäulnis ein. Dann zersetzen anaerobe Mikroorganismen den Körper, wobei mehr Weichteilsubstanz erhalten bleiben kann.
Mumifikation entsteht bei niedriger Temperatur, trockener oder zugiger Luft oder unter toxischen Einflüssen. Sie kann Weichteile zunächst bewahren, führt ohne Einbettung aber nicht dauerhaft zu Fossilien: Eis und trockene, ungestörte Klimaräume bleiben an der Erdoberfläche nicht über Hunderte Millionen Jahre erhalten. Bei Feuchtigkeit, Auftauen, Aasfressern oder Verwitterung zerfallen Mumien. In Permafrostböden Sibiriens und des nördlichen Nordamerikas wurden jedoch vollständige Wollhaarmammuts, Wollnashörner und andere Eisleichen gefunden; sie sind besonders empfindlich gegen unkontrolliertes Auftauen.
Bei der Inkohlung wird Pflanzenmaterial unter Luftabschluss umgewandelt. Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff werden vor allem entfernt, während Kohlenstoff relativ angereichert wird. Mit zunehmender Inkohlung können Braunkohle oder Steinkohle entstehen.
Einbettung und Einfluss des Untergrunds
Einbettung bedeutet, dass ein Organismus von einem Substrat bedeckt wird. Die erste Einbettung ohne spätere Verlagerung heißt primäre Einbettung. Bei einer sekundären Einbettung wird ein Körper nach einer ersten Lagerung erneut verlagert und begraben; dies kann etwa bei verwehten Wüstenmumien oder wieder freigelegten, aufgetauten und durch Wasser transportierten Eismumien vorkommen. Das endgültige Substrat bestimmt wesentlich, welche Fossilform entsteht.
Besonders günstig ist eine rasche Bedeckung, die den Körper von Luft abschließt. Lehm oder Schlamm sind dafür besser geeignet als reiner Sand. Sand kann die Substanz zwar gut bewahren, doch bei der späteren Diagenese werden Fossilien in Sandstein oft durch kieselige Prozesse zerstört. Salzsümpfe können einen Körper zunächst austrocknen und erhalten, doch Salz löst ihn im weiteren geologischen Verlauf auf; deshalb enthalten Salzflöze keine Fossilien. Auch Moorleichen werden nur fossil, wenn ihr Substrat trockenfällt und selbst fossil wird oder wenn sie umgebettet werden.
Schlamm ist feinkörnig und kann Körper sehr detailliert bewahren. Er lagert sich in aquatischen Stillwasserzonen ab. Sauerstoffarmut am Grund geschichteter Wasserkörper schafft besonders gute Erhaltungsbedingungen. Schlamm wird bei der Diagenese oft stark verdichtet, weshalb Fossilien darin meist flachgedrückt und zweidimensional erhalten sind. Salzlauge hemmt wegen ihrer hohen Salzkonzentration die mikrobielle Zersetzung und kann Weichteile gut erhalten, bildet aber nur selten alte Fossilien.
Asphalt kann große Landwirbeltiere festhalten. Locken deren Paniklaute Fleischfresser an, können auch diese im Asphalt gefangen werden; so entstehen autochthone Thanatocoenosen, also am Entstehungsort angesammelte Todesgemeinschaften. Ein bekanntes Beispiel sind die La Brea Tar Pits in Kalifornien. Baumharz kann kleine Tiere und Pflanzenteile bis in Einzelheiten einschließen. Der zu Bernstein werdende Harztropfen bildet Inklusen, meist Insekten und Spinnentiere, seltener Würmer, Schnecken oder kleine Reptilien. Bernstein zerfällt jedoch bei der Diagenese; aus dem Karbon ist daher kein Bernstein erhalten. Die meisten Bernsteininklusen stammen aus dem Tertiär und der Kreide.
Entgasung und Umwandlung im Gestein
Bei der Entgasung bauen anaerobe Mikroorganismen die noch energetisch verwertbaren Bestandteile eines eingebetteten Körpers ab. Dabei entstehen unter anderem Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Die Weichteile gehen weitgehend verloren, während Gase nach oben entweichen und Hohlräume oder Kanäle hinterlassen können. Werden solche Spuren erhalten, geben sie Hinweise auf räumliche Lage des Kadavers, Einbettungstemperatur, Einbettungsmedium, Weichteilmenge und Salzgehalt. Muscheln, die im Sand sterben, erzeugen oft typische Entgasungstrichter.
Mit weiterer Überdeckung steigen Druck und oft auch Temperatur. Die Diagenese beginnt, wenn lockeres Sediment zu festem Sedimentgestein wird; dabei werden auch die eingebetteten Reste zu eigentlichen Fossilien. Häufig bleibt das ursprüngliche Material nicht erhalten, sondern wird beispielsweise durch Siliciumverbindungen ersetzt; dies heißt Silizifikation. Bei zu hohem Druck und zu hoher Temperatur wird das Gestein metamorph. Metamorphite verlieren ihre ursprüngliche Struktur und enthalten keine Fossilien mehr.
Wichtige Stufen der Diagenese sind Entwässerung und Kompaktion: Fossilien werden durch Gesteinsdruck, vor allem vertikal, stark abgeflacht. Bei der Auslaugung gleichen Salzlösungen Konzentrationen an; ein großer Teil des ursprünglichen Materials geht verloren und das Fossil kann die kristalline Struktur des Umgebungsmaterials annehmen. Brüche und Verformungen werden chemisch weiter umgebildet, Hohlräume mit Salzen verfüllt. Umkristallisation verändert die chemische Struktur weiter. Aus dem Fossil ausgewandertes Material kann sich nahebei anreichern und Konkretionen bilden. Daher lässt sich das Alter eines Fossils anhand seines Substrats oft nicht bestimmen.
Erhaltungsformen und Spurenfossilien
Organische Reste finden sich vor allem bei jüngeren Fossilien oder unvollständiger Fossilisation in einer anorganischen Matrix. Entscheidend ist ein schneller Sauerstoffabschluss in Material, das später verfestigt wird. Gute Fundorte sind daher Gebiete mit hoher Sedimentationsrate wie Sümpfe, Moore, Seen oder Flachmeere. Nur ein sehr geringer Teil der gesamten umgesetzten Biomasse fossilisiert.
Hartteile verwittern und brechen zwar ebenfalls, werden aber häufiger bewahrt als Weichteile. Schalen von Muscheln und Schnecken sowie Knochen und Zähne enthalten unter anderem Calciumcarbonat, Perlmutt, Apatit oder Calciumphosphate. Diese anorganischen Stoffe schützen zunächst auch eingebaute Proteine. Die häufigsten Fossilien sind Versteinerungen, bei denen bei Tieren meist Knochen, Zähne oder Schalen erhalten bleiben. Bei Verkieselung von Holz können sogar Jahresringe sichtbar bleiben. Weichteile sind selten erhalten, etwa bei der Ediacara-Fauna in Australien, den Burgess-Shale-Fossilien in Kanada und den Chengjiang-Fossilien in China.
Steinkerne entstehen häufig bei wirbellosen Meerestieren mit kalkigen Gehäusen, beispielsweise Ammoniten. Nach der Zersetzung des Weichkörpers wird das hohle Gehäuse mit Sediment gefüllt. Löst sich das Gehäuse später diagenetisch auf, bleibt die verfestigte Sedimentfüllung als Ausguss seiner Form zurück. Beim Prägesteinkern prägt sich die Außenform des Gehäuses auf die noch nicht vollständig verfestigte Füllung.
Ichnofossilien sind erhaltene Lebensspuren und gehören zu den häufigsten Fossilien. Dazu zählen Grab-, Kriech-, Lauf-, Fress- und Kotspuren. Damit Laufspuren erhalten bleiben, müssen das tragende und das später auflagernde Sediment aus mindestens leicht unterschiedlichen Substraten bestehen; sonst verschmelzen die Schichten. Aus Laufspuren lassen sich mithilfe der Bewegungsphysiologie und Sportwissenschaft unter anderem Gewicht, Laufgeschwindigkeit, Lebensalter, Beckenbau und mögliche Verletzungen eines Tieres erschließen.
