Paläontologie

Gegenstand und Einordnung

Paläontologie ist die Wissenschaft von den Lebewesen und Lebewelten der geologischen Vergangenheit. Sie untersucht Fossilien: körperliche Überreste sowie andere Hinterlassenschaften und Zeugnisse von Lebewesen in Sedimentgesteinen, die älter als 10.000 Jahre sind. Als „historische Biologie“ ergänzt sie die Neontologie, also die Biologie heute lebender Organismen.

Fossilien liefern nicht nur Informationen über einzelne ausgestorbene Arten. Sie helfen auch, frühere Lebensräume, Ökosysteme, Klimata, die Verbreitung von Organismen und die Entwicklung des Lebens zu rekonstruieren. Dabei verbindet die Paläontologie geologische Fragen über Gesteine und Schichten mit biologischen Fragen über Bau, Funktion, Verwandtschaft und Lebensweise von Organismen.

Teilgebiete und Fragestellungen

Die Paläozoologie erforscht fossile Tiere. Dazu gehören die Paläontologie wirbelloser Tiere, die Paläoentomologie für fossile Insekten sowie die Wirbeltierpaläontologie. Diese umfasst unter anderem die Paläoichthyologie für Fische, die Paläoherpetologie für Amphibien und Reptilien, die Paläornithologie für Vögel und die Paläomammalogie für Säugetiere. Die Paläobotanik untersucht fossile Pflanzen; zur ihr zählt auch die Palynologie, die Lehre von fossilen Pollen und Sporen. Die Palichnologie befasst sich mit fossilen Lebensspuren wie Trittsiegeln, Fährten, Grabgängen und Fraßspuren.

Die Paläontologie der Makrofossilien arbeitet anders als die Mikropaläontologie. Letztere untersucht mit Mikroskopie Mikrofossilien und noch kleinere Nannofossilien. Mikrofossilien können Reste von Mikroorganismen sein, aber auch mikroskopisch kleine Zeugnisse größerer Lebewesen.

Zu den geologisch orientierten Bereichen gehört die Taphonomie oder Fossilisationslehre. Sie beschreibt den Weg vom Absterben eines Individuums bis zum fertigen Fossil und erklärt Fossillagerstätten. In Konzentratlagerstätten sind Fossilreste besonders zahlreich, in Konservatlagerstätten besonders vollständig erhalten. Die Biostratigraphie ordnet Sedimentgesteinsformationen und ihre Schichtglieder zeitlich ein und korreliert sie anhand ihres Fossilinhalts; dafür werden unter anderem Leitfossilien ausgewählt. Die Biofaziesanalyse charakterisiert den Bildungsraum eines Sedimentgesteins anhand fossiler Lebewesen und Lebensspuren.

Biologisch orientierte Bereiche ordnen Fossilien mit Vergleichender Anatomie und biologischer Systematik in das System der Organismen ein. Die Phylogenetik untersucht Verwandtschaft und erstellt Stammbäume. Seit den 1980er Jahren wird dafür zunehmend Kladistik verwendet, mit der Verwandtschaftsgrade quantifiziert werden. Funktionelle Morphologie deutet die Gestalt eines Fossils im Hinblick auf seine Funktion; Paläophysiologie untersucht physikalische und biochemische Lebensvorgänge, Paläopathologie Funktionsstörungen und Krankheiten. Wachstum und Entwicklung, die Ontogenese, lassen sich etwa über Sklerochronologie und Knochenhistologie bei Tieren oder Dendrochronologie bei fossilen Pflanzen untersuchen. Palökologie erforscht Lebensweisen, Umweltbeziehungen, Populationen und Lebensgemeinschaften; Paläobiogeographie verfolgt frühere Verbreitungsgebiete und Migrationsrouten.

Bezüge zu anderen Forschungszweigen

Geobiologie untersucht Wechselwirkungen zwischen Biosphäre und unbelebten Bestandteilen des Systems Erde. Sie ist auf paläontologische Erkenntnisse angewiesen, weil der Wandel der Biosphäre in der Erdgeschichte vor allem durch Fossilien belegt ist. Die Astrobiologie fragt nach Bedingungen für die Entstehung einfacher Lebensformen, komplexer Lebensgemeinschaften und Zivilisationen auf planetaren Welten. Paläontologische Ergebnisse können ihr Hinweise zum Ursprung des Lebens auf der Erde, zur Evolution unter extremen Umweltbedingungen sowie zur Diversifizierung und Höherentwicklung des Lebens geben.

In der Paläoklimatologie werden fossile Organismen zur Rekonstruktion älterer Klimageschichte genutzt. Karbonatische Skelette mariner Organismen wie Foraminiferen bewahren Sauerstoff-Isotopenverhältnisse des Urozeans zur Zeit der Skelettabscheidung. Da sich diese Verhältnisse oberflächennah mit der Wassertemperatur ändern, lassen sich aus massenspektrometrischen Messungen Temperaturkurven ableiten. Fossilien können außerdem frühere Klimazonen anzeigen, etwa durch Pflanzenmikrofossilien. Die Paläogeographie nutzt die geografische Verbreitung fossiler Lebewesen zur Rekonstruktion früherer Kontinente und Ozeane. Die Paläochemie untersucht chemisch fossile Funde. Die Paläoanthropologie befasst sich mit der Stammesgeschichte des Menschen und ist als Teil der Anthropologie eine Hilfswissenschaft der Ur- und Frühgeschichte.

Fund, Präparation und Dokumentation

Vor einer gezielten Grabung wird meist eine geologische Kartierung fossilführender Sedimentgesteine durchgeführt. Sie soll neue Fundpunkte finden, bekannte Fundhorizonte zu benachbarten Schichten und Gesteinseinheiten in Beziehung setzen und den Ablagerungsraum beschreiben, etwa ob sich Sedimente in einem See oder Meer bildeten. Ist Alter, stratigraphische Einordnung und Lithologie der Gesteine bereits ausreichend bekannt, kann diese Übersichtskartierung entfallen.

Eine systematische Grabung erfolgt Schicht für Schicht vom Hangenden, der oben liegenden jüngsten Schicht, zum Liegenden, den darunter liegenden älteren Schichten. Die Geologie jeder abgetragenen Schicht wird genau beschrieben. Fundhorizonte werden nummeriert; dieselbe Nummer erhalten die Fossilien, damit sie ihrem Horizont eindeutig zugeordnet bleiben. Bei großen Resten wie Dinosaurier-Skeletten wird die Lage einzelner Knochen mit einem Raster dokumentiert. Das ermöglicht Aussagen über Sterbehaltungen sowie Ablagerungs- und Transportprozesse und hilft, Knochen verschiedener Individuen zu unterscheiden. Für Mikrofossilien entnimmt man Gesteinsproben aus einzelnen Horizonten und bereitet sie später im Labor auf.

Bröcklige Fossilien werden am Fundort geklebt oder mit alkohollöslichen Chemikalien fixiert; Knochen können mit Gips ummantelt werden. Im Labor erfolgt die Präparation meist mechanisch mit Skalpell, Präpariernadeln oder Druckluftmeißel unter Lupe oder Stereomikroskop. Röntgenstrahlung kann verdeckte Fossilteile auffinden und so Schäden bei der Präparation vermeiden. Mikrofossilien lassen sich oft durch Säureätzung oder andere nasschemische Verfahren aus Gestein lösen.

Zeichnungen, Fotografien und gegebenenfalls Rasterelektronenmikroskopie machen die Merkmale eines Fundes festhaltbar. Diese Dokumentation ist die Grundlage für Beschreibung, Interpretation und systematische Einordnung; dabei kann auch ein neues Taxon benannt werden.

Auswertung, Rekonstruktion und Datierung

Aus Fossilzeichnungen sowie bekannten Exemplaren oder verwandten Gruppen kann der ursprüngliche Skelettzusammenhang von Tieren oder Organzusammenhang von Pflanzen rekonstruiert werden. Ein anschließendes Lebensbild berücksichtigt Deutungen zu Funktion, Lebens- und Fortbewegungsweise; gegebenenfalls wird auch der Todesvorgang rekonstruiert. Vollständig erhaltene Skelette erlauben biomechanische Computermodelle von Bewegungsabläufen. Damit können bestimmte Verhaltens- und Lebensweisen ausgeschlossen oder als wahrscheinlich bewertet werden.

Sind Fossilien eines Fundorts nicht von unterschiedlichen Ursprungsorten antransportiert worden, sondern stammen aus demselben Ökosystem, lassen sich Fauna und Flora eines Horizonts sowie anschließend ein Nahrungsnetz analysieren. Sedimentologische Daten ergänzen dies durch Hinweise zu Transport- und Ablagerungsprozessen. Umgekehrt können Fossilien die Umwelt des Sedimentationsraums anzeigen, wenn bestimmte Gruppen nur unter bestimmten Bedingungen vorkamen, etwa am Meeresboden in ungetrübtem Wasser bei 18 bis 20 °C und einer Salinität < 2,5 %. Die vertikale Abfolge von Horizonten entspricht einer zeitlichen Abfolge; der Vergleich ihrer Lebensgemeinschaften zeigt daher die Entwicklung eines früheren Ökosystems.

Bei genügend großen Stichproben können Fossilien einer Art aus einem Horizont als Äquivalent zu einer natürlichen Population hinsichtlich der Variabilität ihrer Körpermerkmale untersucht werden. Auch Zusammensetzungen von Ökosystemen, beispielsweise Räuber-Beute-Zahlenverhältnisse, können quantitativ erfasst werden. Dünnschliffe von Knochen oder Gehäusen liefern Informationen über Wachstum, frühere Gewebebeschaffenheit, Physiologie und Ontogenese. Mikrosondenanalysen klären die chemische Zusammensetzung von Skeletten; für Isotopenzusammensetzungen sind massenspektroskopische Verfahren nötig.

Rechnergestützte Kladistik vergleicht Merkmalskombinationen fossiler Arten und berechnet Kladogramme nach dem Prinzip der Sparsamkeit. Die Ergebnisse stellen den mutmaßlichen Evolutionsverlauf unter der Annahme möglichst weniger Evolutionsschritte dar. Für die stratigraphische Korrelation gilt: Fossile Arten einer Fundstätte kamen in einem relativ engen geologischen Zeitraum vor. Treten dieselben Arten an anderen Fundorten auf, können deren Fundschichten einen gemeinsamen Bildungszeitraum haben. Genauere Alter mit geringeren Fehlerspannen ergeben sich durch den Vergleich von Sedimentgesteinsabfolgen mit Fossilien und geochronologisch datierbaren Vulkaniten, zum Beispiel Tuffen. Bei Klassifizierungen können Dilemmata auftreten, etwa beim Urzeit-Hai Bavariscyllium.