Paläontologie
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Die Paläontologie (/ˌpeɪliɒnˈtɒlədʒi, ˌpæli-, -ən-/), auch Paläontologie oder Paläontologie genannt, ist die wissenschaftliche Erforschung des Lebens, das vor dem Beginn des Holozäns (etwa 11 700 Jahre vor der Gegenwart) und manchmal auch davor existierte. Sie umfasst die Untersuchung von Fossilien zur Klassifizierung von Organismen und zur Untersuchung ihrer Wechselwirkungen untereinander und mit ihrer Umwelt (Paläoökologie). Paläontologische Beobachtungen wurden bereits im 5. Jahrhundert v. Chr. dokumentiert. Die Wissenschaft etablierte sich im 18. Jahrhundert durch die Arbeiten von Georges Cuvier zur vergleichenden Anatomie und entwickelte sich im 19. Der Begriff selbst stammt aus dem Griechischen παλαιός ('palaios', 'alt, antik'), ὄν ('on', (gen. 'ontos'), 'Wesen, Kreatur') und λόγος ('logos', 'Rede, Gedanke, Studium'). ⓘ
Paleontology lies on the border between biology and geology, but differs from archaeology in that it excludes the study of anatomically modern humans. It now uses techniques drawn from a wide range of sciences, including biochemistry, mathematics, and engineering. Durch den Einsatz all dieser Techniken konnten die Paläontologen einen Großteil der Entwicklungsgeschichte des Lebens aufdecken, und zwar fast bis zu dem Zeitpunkt, als die Erde vor fast 4 Milliarden Jahren lebensfähig wurde. Mit dem zunehmenden Wissenszuwachs hat die Paläontologie spezialisierte Unterabteilungen entwickelt, von denen sich einige auf verschiedene Arten fossiler Organismen konzentrieren, während andere die Ökologie und die Umweltgeschichte, z. B. alte Klimazonen, untersuchen. ⓘ
Körperfossilien und Spurenfossilien sind die wichtigsten Arten von Beweisen für altes Leben, und geochemische Beweise haben dazu beigetragen, die Entwicklung des Lebens zu entschlüsseln, bevor es Organismen gab, die groß genug waren, um Körperfossilien zu hinterlassen. Die Datierung dieser Überreste ist von grundlegender Bedeutung, aber schwierig: Manchmal erlauben benachbarte Gesteinsschichten eine radiometrische Datierung, die absolute Daten mit einer Genauigkeit von 0,5 % liefert, aber häufiger müssen sich Paläontologen auf eine relative Datierung verlassen, indem sie die "Puzzlesteine" der Biostratigraphie (Anordnung der Gesteinsschichten von der jüngsten zur ältesten) lösen. Die Klassifizierung alter Organismen ist ebenfalls schwierig, da viele von ihnen nicht in die Linnae'sche Taxonomie passen, die lebende Organismen klassifiziert, und Paläontologen verwenden häufiger die Kladistik, um evolutionäre "Stammbäume" zu erstellen. Im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts wurde die molekulare Phylogenetik entwickelt, die anhand der Ähnlichkeit der DNA in den Genomen von Organismen untersucht, wie eng diese miteinander verwandt sind. Die molekulare Phylogenetik wurde auch zur Schätzung der Zeitpunkte verwendet, zu denen sich die Arten auseinanderentwickelten, aber die Zuverlässigkeit der molekularen Uhr, von der solche Schätzungen abhängen, ist umstritten. ⓘ
Die Paläontologie (altgriechisch παλαιός palaiós „alt“, ὤν ōn, Gen. ὄντος óntos „seiend“ und -logie) ist die Wissenschaft von den Lebewesen und Lebewelten der geologischen Vergangenheit. Gegenstand paläontologischer Forschung sind Fossilien (lateinisch fossilis „ausgegraben“), das heißt, in Sedimentgesteinen vorkommende körperliche Überreste sowie sonstige Hinterlassenschaften und Zeugnisse von Lebewesen, die älter als 10.000 Jahre sind. ⓘ
Der französische Zoologe und Anatom Henri de Blainville führte 1825 den Begriff Paläontologie ein, der allmählich die älteren Bezeichnungen Oryktologie (griechisch ὀρυκτός oryktós „ausgegraben“) und Petrefaktenkunde (lateinisch petrefactum „versteinert“) ersetzte. ⓘ
Überblick
Die einfachste Definition des Begriffs "Paläontologie" ist "die Lehre vom Leben in der Antike". Das Fachgebiet sucht nach Informationen über verschiedene Aspekte vergangener Organismen: "Ihre Identität und Herkunft, ihre Umwelt und Entwicklung und was sie uns über die organische und anorganische Vergangenheit der Erde sagen können". ⓘ
Historische Wissenschaft
William Whewell (1794-1866) ordnete die Paläontologie neben der Archäologie, der Geologie, der Astronomie, der Kosmologie, der Philologie und der Geschichte selbst den historischen Wissenschaften zu: Ziel der Paläontologie ist es, Phänomene der Vergangenheit zu beschreiben und ihre Ursachen zu rekonstruieren. Die Paläontologie besteht also aus drei Hauptelementen: der Beschreibung vergangener Phänomene, der Entwicklung einer allgemeinen Theorie über die Ursachen der verschiedenen Arten von Veränderungen und der Anwendung dieser Theorien auf spezifische Fakten. Bei dem Versuch, die Vergangenheit zu erklären, stellen Paläontologen und andere Geschichtswissenschaftler oft eine oder mehrere Hypothesen über die Ursachen auf und suchen dann nach einem "rauchenden Colt", einem Beweisstück, das eine Hypothese stärker unterstützt als alle anderen. Manchmal entdecken Forscher einen "smoking gun" durch einen glücklichen Zufall während anderer Forschungen. Die Entdeckung von Iridium, einem hauptsächlich extraterrestrischen Metall, durch Luis und Walter Alvarez im Jahr 1980 in der Grenzschicht zwischen Kreide und Tertiär machte den Asteroideneinschlag zur bevorzugten Erklärung für das Aussterbeereignis zwischen Kreide und Paläogen - obwohl die Debatte über den Beitrag des Vulkanismus weitergeht. ⓘ
Ein ergänzender Ansatz zur Entwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse ist die experimentelle Wissenschaft, wird oft mit der Durchführung von Experimenten begründet, um Hypothesen über die Funktionsweise und die Ursachen von Naturphänomenen zu widerlegen. Mit diesem Ansatz kann eine Hypothese nicht bewiesen werden, da sie durch ein späteres Experiment widerlegt werden kann, aber die Häufung von Fehlschlägen bei der Widerlegung ist oft ein zwingender Beweis dafür. Wenn sie jedoch mit völlig unerwarteten Phänomenen konfrontiert werden, wie z. B. den ersten Beweisen für unsichtbare Strahlung, verwenden experimentelle Wissenschaftler oft denselben Ansatz wie historische Wissenschaftler: Sie stellen eine Reihe von Hypothesen über die Ursachen auf und suchen dann nach einem "rauchenden Colt". ⓘ
Verwandte Wissenschaften
Zeitleiste der Homininen ⓘ | ||||||||||||||||||||
−10 — – −9.5 — – −9 — – −8.5 — – −8 — – −7.5 — – −7 — – −6.5 — – −6 — – −5.5 — – −5 — – −4.5 — – −4 — – −3.5 — – −3 — – −2.5 — – −2 — – −1.5 — – −1 — – −0.5 — – 0 — | Miozän Pliozän Pleistozän Nakalipithecus Ouranopithecus Oreopithecus Sahelanthropus Orrorin Ardipithecus Homo habilis Homo erectus Homo bodoensis Homo sapiens Neandertaler, Denisovaner |
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(vor Millionen Jahren) | ||||||||||||||||||||
Zeitleiste des Lebens ⓘ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
−4500 — – — – −4000 — – — – −3500 — – — – −3000 — – — – −2500 — – — – −2000 — – — – −1500 — – — – −1000 — – — – −500 — – — – 0 — | Wasser Einzelliges Leben Photosynthese Vielzelliges Leben P l a n t s Gliederfüßer Mollusken H a d e a n A r c h e a n P r o t e r o z o i c P h a n e r o z o i c |
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(vor Millionen Jahren) *Eiszeitalter | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Die Paläontologie liegt zwischen der Biologie und der Geologie, da sie sich mit den Aufzeichnungen über vergangenes Leben befasst, aber ihre Hauptbeweisquelle sind Fossilien in Gesteinen. Aus historischen Gründen ist die Paläontologie an vielen Universitäten Teil des Fachbereichs Geologie: Im 19. und frühen 20. Jahrhundert fanden die geologischen Abteilungen fossile Beweise wichtig für die Datierung von Gesteinen, während die biologischen Abteilungen wenig Interesse zeigten. ⓘ
Die Paläontologie hat auch einige Überschneidungen mit der Archäologie, die sich in erster Linie mit von Menschen hergestellten Objekten und menschlichen Überresten befasst, während Paläontologen an den Merkmalen und der Entwicklung des Menschen als Gattung interessiert sind. Wenn es um Beweise für den Menschen geht, können Archäologen und Paläontologen zusammenarbeiten. So können Paläontologen beispielsweise Tier- oder Pflanzenfossilien in der Nähe einer archäologischen Stätte identifizieren, um herauszufinden, welche Menschen dort lebten und was sie aßen, oder sie können das Klima zur Zeit der Besiedlung analysieren. ⓘ
Darüber hinaus bedient sich die Paläontologie häufig Techniken aus anderen Wissenschaften, darunter Biologie, Osteologie, Ökologie, Chemie, Physik und Mathematik. So können beispielsweise geochemische Signaturen von Gesteinen dabei helfen, herauszufinden, wann das erste Leben auf der Erde entstanden ist, und Analysen von Kohlenstoffisotopenverhältnissen können dabei helfen, Klimaveränderungen zu erkennen und sogar große Übergänge wie das Aussterbeereignis zwischen Perm und Trias zu erklären. Eine relativ neue Disziplin, die molekulare Phylogenetik, vergleicht die DNA und RNA moderner Organismen, um die "Stammbäume" ihrer evolutionären Vorfahren zu rekonstruieren. Sie wurde auch eingesetzt, um die Daten wichtiger evolutionärer Entwicklungen zu schätzen, obwohl dieser Ansatz aufgrund von Zweifeln an der Zuverlässigkeit der "molekularen Uhr" umstritten ist. Techniken aus dem Ingenieurwesen wurden eingesetzt, um zu analysieren, wie die Körper alter Organismen funktioniert haben könnten, z. B. die Laufgeschwindigkeit und Beißkraft von Tyrannosaurus oder die Flugmechanik von Microraptor. Die Untersuchung der inneren Details von Fossilien mit Hilfe der Röntgenmikrotomografie ist relativ alltäglich. Paläontologie, Biologie, Archäologie und Paläoneurobiologie untersuchen gemeinsam Schädelabdrücke von mit dem Menschen verwandten Arten, um die Entwicklung des menschlichen Gehirns zu klären. ⓘ
Die Paläontologie leistet sogar einen Beitrag zur Astrobiologie, der Erforschung von möglichem Leben auf anderen Planeten, indem sie Modelle für die Entstehung von Leben entwickelt und Techniken zum Nachweis von Leben bereitstellt. ⓘ
Unterabteilungen
Mit dem zunehmenden Wissenszuwachs hat die Paläontologie spezialisierte Unterabteilungen entwickelt. Die Wirbeltierpaläontologie konzentriert sich auf Fossilien von den frühesten Fischen bis zu den unmittelbaren Vorfahren der modernen Säugetiere. Die Wirbeltierpaläontologie beschäftigt sich mit Fossilien von Weichtieren, Gliederfüßern, Ringelwürmern und Stachelhäutern. Die Paläobotanik untersucht fossile Pflanzen, Algen und Pilze. Die Palynologie, die sich mit Pollen und Sporen von Landpflanzen und Protisten befasst, ist die Schnittstelle zwischen Paläontologie und Botanik, da sie sich sowohl mit lebenden als auch mit fossilen Organismen befasst. Die Mikropaläontologie beschäftigt sich mit mikroskopisch kleinen, fossilen Organismen aller Art. ⓘ
Anstatt sich auf einzelne Organismen zu konzentrieren, untersucht die Paläoökologie die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen alten Organismen, wie z. B. ihre Nahrungsketten, und die wechselseitigen Interaktionen mit ihrer Umwelt. So führte beispielsweise die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese durch Bakterien zur Anreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff und steigerte die Produktivität und Vielfalt der Ökosysteme enorm. Dies alles führte zur Entwicklung komplexer eukaryontischer Zellen, aus denen alle mehrzelligen Organismen hervorgegangen sind. ⓘ
Die Paläoklimatologie, die manchmal als Teil der Paläoökologie behandelt wird, konzentriert sich mehr auf die Geschichte des Erdklimas und die Mechanismen, die es verändert haben - zu denen manchmal auch evolutionäre Entwicklungen gehörten, wie z. B. die rasche Ausbreitung von Landpflanzen im Devon, die der Atmosphäre mehr Kohlendioxid entzogen, den Treibhauseffekt verringerten und so dazu beitrugen, eine Eiszeit im Karbon zu verursachen. ⓘ
Die Biostratigraphie, die Verwendung von Fossilien zur Bestimmung der zeitlichen Abfolge der Gesteinsbildung, ist sowohl für Paläontologen als auch für Geologen von Nutzen. Die Biogeografie untersucht die räumliche Verteilung von Organismen und ist auch mit der Geologie verknüpft, die erklärt, wie sich die Geografie der Erde im Laufe der Zeit verändert hat. ⓘ
Hinzu kommt die Palichnologie, die verschiedenste fossile Lebensspuren (u. a. Trittsiegel und Fährten, Grabgänge, Fraßspuren) erforscht. ⓘ
Die Paläontologie der Makrofossilien unterscheidet sich in ihrer Methodik von der Mikropaläontologie, die unter Zuhilfenahme verschiedener Mikroskopie-Techniken Mikrofossilien und die noch kleineren Nannofossilien untersucht. Mikrofossilien können sowohl Überreste von Mikroorganismen als auch mikroskopisch kleine Zeugnisse größerer Lebewesen sein. ⓘ
Paläontologen untersuchen Fossilien und fossile Organismengruppen unter einer Vielzahl von Gesichtspunkten und Fragestellungen. Eine Einteilung in geologisch und biologisch orientierte Teilgebiete wird vorgenommen: ⓘ
Quellen für Beweise
Fossile Körper
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Fossilien von Organismenkörpern sind in der Regel die aufschlussreichste Art von Beweisen. Die häufigsten Arten sind Holz, Knochen und Muscheln. Die Fossilisierung ist ein seltenes Ereignis, und die meisten Fossilien werden durch Erosion oder Metamorphose zerstört, bevor sie beobachtet werden können. Daher ist der Fossilnachweis sehr unvollständig, und zwar umso mehr, je weiter man in der Zeit zurückgeht. Trotzdem sind sie oft geeignet, die allgemeinen Muster der Geschichte des Lebens zu veranschaulichen. Der Fossilnachweis weist auch Verzerrungen auf: Unterschiedliche Umgebungen begünstigen die Erhaltung verschiedener Arten von Organismen oder Teilen von Organismen. Außerdem sind in der Regel nur die Teile von Organismen erhalten, die bereits mineralisiert sind, wie z. B. die Schalen von Mollusken. Da die meisten Tierarten einen weichen Körper haben, zerfallen sie, bevor sie fossilisiert werden können. Obwohl es mehr als 30 Tiergruppen gibt, sind zwei Drittel der lebenden Tiere nie als Fossilien gefunden worden. ⓘ
Gelegentlich können in ungewöhnlichen Umgebungen Weichteile erhalten bleiben. Diese Lagerstätten ermöglichen es den Paläontologen, die innere Anatomie von Tieren zu untersuchen, die in anderen Sedimenten nur durch Schalen, Stacheln, Klauen usw. dargestellt werden. - wenn sie überhaupt erhalten sind. Aber auch die Lagerstätten vermitteln ein unvollständiges Bild des damaligen Lebens. Die Mehrheit der damals lebenden Organismen ist wahrscheinlich nicht vertreten, weil die Lagerstätten auf ein enges Spektrum von Umgebungen beschränkt sind, in denen z. B. Weichkörperorganismen durch Ereignisse wie Schlammlawinen sehr schnell konserviert werden können; und die außergewöhnlichen Ereignisse, die eine schnelle Verschüttung verursachen, machen es schwierig, die normalen Umgebungen der Tiere zu untersuchen. Da die Fossilien nur spärlich vorhanden sind, wird davon ausgegangen, dass die Organismen lange vor und nach den Fossilien existieren - dies ist als Signor-Lipps-Effekt bekannt. ⓘ
Spurenfossilien
Spurenfossilien bestehen hauptsächlich aus Fährten und Höhlen, aber auch aus Koprolithen (fossile Fäkalien) und Fraßspuren. Spurenfossilien sind besonders wichtig, weil sie eine Datenquelle darstellen, die nicht auf Tiere mit leicht versteinernden Hartteilen beschränkt ist, und weil sie das Verhalten der Organismen widerspiegeln. Außerdem stammen viele Spuren aus einer Zeit, die deutlich vor den Körperfossilien der Tiere liegt, von denen man annimmt, dass sie zu ihrer Herstellung fähig gewesen wären. Während eine genaue Zuordnung von Spurenfossilien zu ihren Erzeugern im Allgemeinen nicht möglich ist, können Spuren beispielsweise den frühesten physischen Beweis für das Auftreten von Tieren mittlerer Komplexität (vergleichbar mit Regenwürmern) liefern. ⓘ
Geochemische Beobachtungen
Geochemische Beobachtungen können Rückschlüsse auf das globale Ausmaß der biologischen Aktivität in einem bestimmten Zeitraum oder auf die Zugehörigkeit bestimmter Fossilien zulassen. Geochemische Merkmale von Gesteinen können beispielsweise Aufschluss darüber geben, wann das erste Leben auf der Erde entstanden ist, und sie können Hinweise auf das Vorhandensein eukaryontischer Zellen liefern, aus denen alle mehrzelligen Organismen aufgebaut sind. Analysen des Verhältnisses der Kohlenstoffisotope können helfen, große Übergänge wie das Aussterben der Perm-Trias zu erklären. ⓘ
Klassifizierung alter Organismen
Die Benennung von Organismengruppen auf eine eindeutige und allgemein anerkannte Weise ist wichtig, da einige Streitigkeiten in der Paläontologie nur auf Missverständnissen über Namen beruhen. Die Linnaeansche Taxonomie wird häufig zur Klassifizierung von Lebewesen verwendet, stößt aber auf Schwierigkeiten, wenn es um neu entdeckte Organismen geht, die sich erheblich von den bekannten unterscheiden. Zum Beispiel ist es schwierig zu entscheiden, auf welcher Ebene eine neue übergeordnete Gruppierung einzuordnen ist, z. B. Gattung oder Familie oder Ordnung; dies ist wichtig, da die Linnae'schen Regeln für die Benennung von Gruppen an ihre Ebenen gebunden sind und daher eine Gruppe, die auf eine andere Ebene verschoben wird, umbenannt werden muss. ⓘ
| Vierfüßer (Tetrapoden) |
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Die Warmblütigkeit entwickelte sich irgendwo im
Übergang von Synapsiden zu Säugetieren.
? Warmblütigkeit muss sich auch an einem dieser Punkte entwickelt haben
diesen Punkten entwickelt haben - ein Beispiel für konvergente Evolution.
Paläontologen verwenden im Allgemeinen Ansätze, die auf der Kladistik beruhen, einer Technik zur Erstellung des evolutionären Stammbaums" einer Gruppe von Organismen. Sie beruht auf der Logik, dass, wenn die Gruppen B und C mehr Ähnlichkeiten miteinander aufweisen als die Gruppe A, B und C enger miteinander verwandt sind als A. Die verglichenen Merkmale können anatomischer Art sein, wie das Vorhandensein eines Notochords, oder molekularer Art, indem DNA- oder Proteinsequenzen verglichen werden. Das Ergebnis einer erfolgreichen Analyse ist eine Hierarchie von Kladen - Gruppen, die einen gemeinsamen Vorfahren haben. Im Idealfall hat der "Stammbaum" nur zwei Zweige, die von jedem Knotenpunkt ("Kreuzung") ausgehen, aber manchmal gibt es zu wenig Informationen, um dies zu erreichen, und Paläontologen müssen sich mit Kreuzungen begnügen, die mehrere Zweige haben. Die kladistische Technik ist manchmal fehlerhaft, da sich einige Merkmale, wie Flügel oder Kameraaugen, mehr als einmal konvergent entwickelt haben - dies muss bei den Analysen berücksichtigt werden. ⓘ
Die evolutionäre Entwicklungsbiologie, die gemeinhin mit "Evo Devo" abgekürzt wird, hilft Paläontologen auch bei der Erstellung von "Stammbäumen" und beim Verständnis von Fossilien. So lässt beispielsweise die embryologische Entwicklung einiger moderner Brachiopoden darauf schließen, dass Brachiopoden Nachfahren der Chalkieriiden sind, die im Kambrium ausgestorben sind. ⓘ
Schätzung der Daten von Organismen
Die Paläontologie versucht zu ergründen, wie sich die Lebewesen im Laufe der Zeit verändert haben. Ein wesentliches Hindernis auf dem Weg zu diesem Ziel ist die Schwierigkeit, das Alter der Fossilien zu bestimmen. In den Schichten, in denen sich Fossilien befinden, fehlen in der Regel die radioaktiven Elemente, die für die radiometrische Datierung benötigt werden. Diese Technik ist die einzige Möglichkeit, Gesteinen, die älter als 50 Millionen Jahre sind, ein absolutes Alter zuzuordnen, und sie ist mit einer Genauigkeit von 0,5 % oder mehr möglich. Obwohl die radiometrische Datierung eine sehr sorgfältige Laborarbeit erfordert, ist ihr Grundprinzip einfach: Die Zerfallsraten verschiedener radioaktiver Elemente sind bekannt, so dass das Verhältnis zwischen dem radioaktiven Element und dem Element, in das es zerfällt, angibt, vor welcher Zeit das radioaktive Element in das Gestein eingebaut wurde. Radioaktive Elemente kommen nur in Gesteinen vulkanischen Ursprungs vor, so dass die einzigen fossilführenden Gesteine, die radiometrisch datiert werden können, einige vulkanische Ascheschichten sind. ⓘ
Daher müssen sich Paläontologen bei der Datierung von Fossilien in der Regel auf die Stratigraphie stützen. Die Stratigraphie ist die Wissenschaft, die sich mit der Entschlüsselung des "Schichtkuchens" befasst, aus dem sich die Sedimente zusammensetzen, und wird mit einem Puzzle verglichen. Gesteine bilden normalerweise relativ horizontale Schichten, wobei jede Schicht jünger ist als die darunter liegende. Wenn ein Fossil zwischen zwei Schichten gefunden wird, deren Alter bekannt ist, muss das Alter des Fossils zwischen den beiden bekannten Altersstufen liegen. Da Gesteinsabfolgen nicht kontinuierlich sind, sondern durch Verwerfungen oder Erosionsperioden unterbrochen sein können, ist es sehr schwierig, Gesteinsschichten zuzuordnen, die nicht direkt nebeneinander liegen. Fossilien von Arten, die nur relativ kurze Zeit überlebt haben, können jedoch verwendet werden, um isolierte Gesteinsschichten miteinander zu verbinden: Diese Technik wird Biostratigraphie genannt. Der Conodont Eoplacognathus pseudoplanus zum Beispiel hat eine kurze Reichweite im mittleren Ordovizium. Wenn in Gesteinen unbekannten Alters Spuren von E. pseudoplanus gefunden werden, müssen sie ein Alter im mittleren Ordovizium haben. Solche Indexfossilien müssen unverwechselbar sein, weltweit verbreitet sein und eine kurze Zeitspanne aufweisen, um nützlich zu sein. Es führt jedoch zu irreführenden Ergebnissen, wenn sich herausstellt, dass die Indexfossilien eine größere Reichweite haben als zunächst angenommen. Stratigraphie und Biostratigraphie können im Allgemeinen nur eine relative Datierung liefern (A war vor B), was für die Untersuchung der Evolution oft ausreichend ist. Für einige Zeiträume ist dies jedoch schwierig, da es schwierig ist, gleichaltrige Gesteine auf verschiedenen Kontinenten miteinander zu vergleichen. ⓘ
Stammbaumbeziehungen können auch dabei helfen, den Zeitpunkt des ersten Auftretens von Linien einzugrenzen. Wenn beispielsweise Fossilien von B oder C aus der Zeit vor X Millionen Jahren stammen und der berechnete "Stammbaum" besagt, dass A ein Vorfahre von B und C war, dann muss sich A vor mehr als X Millionen Jahren entwickelt haben. ⓘ
Es ist auch möglich, abzuschätzen, wie lange es her ist, dass sich zwei lebende Kladen auseinanderentwickelt haben - d.h. wie lange ihr letzter gemeinsamer Vorfahre gelebt haben muss -, indem man annimmt, dass sich DNA-Mutationen mit einer konstanten Rate ansammeln. Diese "molekularen Uhren" sind jedoch unzuverlässig und liefern nur eine sehr ungefähre Zeitangabe: Sie sind beispielsweise nicht genau genug und nicht zuverlässig genug, um abzuschätzen, wann die Gruppen, die in der kambrischen Explosion vorkommen, entstanden sind, und die Schätzungen verschiedener Techniken können um den Faktor zwei abweichen. ⓘ
Geschichte des Lebens
Die Erde entstand vor etwa 4.570 Millionen Jahren und kühlte sich nach einer Kollision, aus der etwa 40 Millionen Jahre später der Mond hervorging, möglicherweise schnell genug ab, um vor etwa 4.440 Millionen Jahren Ozeane und eine Atmosphäre zu haben. Auf dem Mond gibt es Hinweise auf eine späte schwere Bombardierung durch Asteroiden vor 4.000 bis 3.800 Millionen Jahren. Wenn, was wahrscheinlich ist, die Erde zur gleichen Zeit von einem solchen Bombardement getroffen wurde, könnten die erste Atmosphäre und die ersten Ozeane abgetragen worden sein. ⓘ
Die Paläontologie verfolgt die Evolutionsgeschichte des Lebens bis vor über 3.000 Millionen Jahren zurück, möglicherweise sogar bis vor 3.800 Millionen Jahren. Die ältesten eindeutigen Beweise für Leben auf der Erde stammen aus der Zeit vor 3.000 Millionen Jahren, obwohl es - oft umstrittene - Berichte über fossile Bakterien aus der Zeit vor 3.400 Millionen Jahren und geochemische Beweise für die Existenz von Leben vor 3.800 Millionen Jahren gibt. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass das Leben auf der Erde von anderswo "ausgesät" wurde, aber die meisten Forschungen konzentrieren sich auf verschiedene Erklärungen, wie das Leben unabhängig auf der Erde entstanden sein könnte. ⓘ
Etwa 2.000 Millionen Jahre lang waren mikrobielle Matten, mehrschichtige Kolonien verschiedener Bakterien, das dominierende Leben auf der Erde. Die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese ermöglichte es ihnen, ab etwa 2.400 Millionen Jahren die Hauptrolle bei der Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre zu spielen. Diese Veränderung der Atmosphäre erhöhte ihre Wirksamkeit als Kinderstube der Evolution. Eukaryonten, also Zellen mit komplexen inneren Strukturen, gab es zwar schon früher, aber ihre Entwicklung beschleunigte sich, als sie die Fähigkeit erlangten, Sauerstoff von einem Gift in eine leistungsstarke Quelle für metabolische Energie umzuwandeln. Diese Innovation könnte darauf zurückzuführen sein, dass primitive Eukaryoten sauerstoffbetriebene Bakterien als Endosymbionten aufnahmen und sie in Organellen namens Mitochondrien umwandelten. Die frühesten Belege für komplexe Eukaryoten mit Organellen (wie Mitochondrien) stammen aus der Zeit vor 1.850 Millionen Jahren. ⓘ
Mehrzelliges Leben besteht nur aus eukaryotischen Zellen, und der früheste Beweis dafür sind die Fossilien der Francevillian-Gruppe vor 2.100 Millionen Jahren, obwohl die Spezialisierung von Zellen für verschiedene Funktionen erstmals vor 1.430 Millionen Jahren (ein möglicher Pilz) und vor 1.200 Millionen Jahren (eine wahrscheinliche Rotalge) auftritt. Die sexuelle Fortpflanzung könnte eine Voraussetzung für die Spezialisierung von Zellen sein, da ein ungeschlechtlicher mehrzelliger Organismus Gefahr läuft, von abtrünnigen Zellen übernommen zu werden, die die Fähigkeit zur Fortpflanzung behalten. ⓘ
Die frühesten bekannten Tiere sind Nesseltiere aus der Zeit vor etwa 580 Millionen Jahren, aber diese sehen so modern aus, dass sie Nachkommen früherer Tiere sein müssen. Frühe Fossilien von Tieren sind selten, da sie bis vor etwa 548 Millionen Jahren keine mineralisierten, leicht versteinernden Hartteile entwickelt hatten. Die frühesten modern aussehenden zweikeimblättrigen Tiere tauchen im frühen Kambrium auf, zusammen mit einigen "seltsamen Wundern", die wenig offensichtliche Ähnlichkeit mit modernen Tieren haben. Es gibt eine lange Debatte darüber, ob diese kambrische Explosion wirklich eine sehr schnelle Periode evolutionärer Experimente war; alternative Ansichten sind, dass sich modern aussehende Tiere schon früher entwickelten, aber Fossilien ihrer Vorläufer noch nicht gefunden wurden, oder dass die "seltsamen Wunder" evolutionäre "Tanten" und "Cousins" moderner Gruppen sind. Wirbeltiere blieben eine unbedeutende Gruppe, bis im späten Ordovizium die ersten Fische mit Kiefern auftauchten. ⓘ
Die Ausbreitung von Tieren und Pflanzen aus dem Wasser auf das Land erforderte von den Organismen die Lösung mehrerer Probleme, darunter der Schutz vor dem Austrocknen und der Schutz vor der Schwerkraft. Die frühesten Nachweise von Landpflanzen und wirbellosen Landtieren stammen aus der Zeit vor etwa 476 Millionen Jahren bzw. 490 Millionen Jahren. Bei diesen wirbellosen Tieren handelte es sich, wie ihre Spuren und Körperfossilien zeigen, um Gliederfüßer, die als Euthycarcinoide bekannt sind. Die Linie, aus der die Landwirbeltiere hervorgingen, entwickelte sich später, aber sehr schnell zwischen 370 Millionen Jahren und 360 Millionen Jahren; neuere Entdeckungen haben frühere Vorstellungen über die Geschichte und die treibenden Kräfte ihrer Entwicklung umgestoßen. Die Landpflanzen waren so erfolgreich, dass ihr Detritus im späten Devon eine ökologische Krise auslöste, bis sich Pilze entwickelten, die totes Holz verdauen konnten. ⓘ
Während des Perms dominierten die Synapsiden, darunter auch die Vorfahren der Säugetiere, möglicherweise die Landumwelt, doch dies endete mit dem Aussterbeereignis des Perms und der Trias vor 251 Millionen Jahren, das beinahe alles komplexe Leben auslöschte. Das Aussterben erfolgte offenbar ziemlich plötzlich, zumindest bei den Wirbeltieren. Während der langsamen Erholung von dieser Katastrophe entwickelte sich eine bis dahin unbekannte Gruppe, die Archosaurier, zu den häufigsten und vielfältigsten Wirbeltieren der Erde. Eine Gruppe von Archosauriern, die Dinosaurier, waren für den Rest des Mesozoikums die vorherrschenden Landwirbeltiere, und die Vögel entwickelten sich aus einer Gruppe von Dinosauriern. Während dieser Zeit überlebten die Vorfahren der Säugetiere nur als kleine, hauptsächlich nachtaktive Insektenfresser, was die Entwicklung von Säugetiermerkmalen wie Endothermie und Behaarung beschleunigt haben könnte. Nachdem das Aussterbeereignis der Kreidezeit und des Paläogens vor 66 Millionen Jahren alle Dinosaurier mit Ausnahme der Vögel ausgelöscht hatte, nahmen die Säugetiere rasch an Größe und Vielfalt zu, und einige flogen in die Luft und ins Meer. ⓘ
Fossile Funde deuten darauf hin, dass blühende Pflanzen in der frühen Kreidezeit vor 130 bis 90 Millionen Jahren auftauchten und sich rasch diversifizierten. Es wird angenommen, dass ihr rascher Aufstieg zur Dominanz in terrestrischen Ökosystemen durch die Koevolution mit bestäubenden Insekten vorangetrieben wurde. Etwa zur gleichen Zeit entstanden soziale Insekten, die zwar nur einen kleinen Teil des Insektenstammbaums ausmachen, aber heute über 50 % der Gesamtmasse aller Insekten ausmachen. ⓘ
Der Mensch entwickelte sich aus einer Linie von aufrecht gehenden Affen, deren früheste Fossilien aus der Zeit vor über 6 Millionen Jahren stammen. Obwohl die frühen Mitglieder dieser Linie Gehirne in der Größe von Schimpansen hatten, etwa 25 % so groß wie die des modernen Menschen, gibt es Anzeichen für eine stetige Zunahme der Gehirngröße nach etwa 3 Millionen Jahren. Es wird seit langem darüber diskutiert, ob der moderne Mensch von einer einzigen kleinen Population in Afrika abstammt, die dann vor weniger als 200 000 Jahren über die ganze Welt wanderte und frühere Homininenarten verdrängte, oder ob er weltweit zur gleichen Zeit durch Kreuzung entstanden ist. ⓘ
Massenaussterben
Mindestens seit 542 Millionen Jahren ist das Leben auf der Erde gelegentlich von Massenaussterben betroffen. Trotz ihrer katastrophalen Auswirkungen haben Massenaussterben manchmal die Evolution des Lebens auf der Erde beschleunigt. Wenn die Vorherrschaft in einer ökologischen Nische von einer Gruppe von Organismen auf eine andere übergeht, geschieht dies selten, weil die neue dominante Gruppe die alte verdrängt, sondern in der Regel, weil ein Aussterbeereignis es einer neuen Gruppe ermöglicht, die alte zu überleben und in ihre Nische einzuziehen. ⓘ
Die Fossilienaufzeichnungen scheinen zu zeigen, dass sich die Aussterberate verlangsamt, da sowohl die Abstände zwischen den Massenaussterben länger werden als auch die Durchschnitts- und Hintergrundraten des Aussterbens abnehmen. Es ist jedoch nicht sicher, ob sich die tatsächliche Aussterberate geändert hat, da beide Beobachtungen auf verschiedene Weise erklärt werden können:
- Die Ozeane könnten in den letzten 500 Millionen Jahren lebensfreundlicher und weniger anfällig für Massenaussterben geworden sein: Gelöster Sauerstoff wurde weiter verbreitet und drang in größere Tiefen vor; die Entwicklung von Leben an Land verringerte den Abfluss von Nährstoffen und damit das Risiko von Eutrophierung und anoxischen Ereignissen; die marinen Ökosysteme wurden vielfältiger, so dass die Gefahr einer Unterbrechung der Nahrungsketten geringer war.
- Vollständige Fossilien sind sehr selten: Die meisten ausgestorbenen Organismen sind nur durch Teilfossilien vertreten, und vollständige Fossilien sind in den ältesten Gesteinen am seltensten. Daher haben Paläontologen Teile ein und desselben Organismus fälschlicherweise verschiedenen Gattungen zugeordnet, die oft nur definiert wurden, um diese Funde unterzubringen - die Geschichte von Anomalocaris ist ein Beispiel dafür. Das Risiko eines solchen Fehlers ist bei älteren Fossilien größer, da es sich dabei oft um Teile eines lebenden Organismus handelt, die mit diesem nicht vergleichbar sind. Viele "überflüssige" Gattungen sind durch Fragmente vertreten, die nicht wiedergefunden werden, und diese "überflüssigen" Gattungen werden als sehr schnell ausgestorben interpretiert. ⓘ
Biodiversität im Fossilbericht, d. h.
- "die Zahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt lebenden Gattungen, d. h. derjenigen, deren erstes Vorkommen vor und deren letztes Vorkommen nach diesem Zeitpunkt liegt"
zeigt einen unterschiedlichen Trend: einen ziemlich schnellen Anstieg von vor 542 bis 400 Millionen Jahren, einen leichten Rückgang von vor 400 bis 200 Millionen Jahren, wobei das verheerende permischtriassische Aussterbeereignis ein wichtiger Faktor ist, und einen schnellen Anstieg von vor 200 Millionen Jahren bis heute. ⓘ
Geschichte
Obwohl sich die Paläontologie erst um 1800 durchsetzte, hatten schon frühere Denker Aspekte des Fossiliennachweises bemerkt. Der antike griechische Philosoph Xenophanes (570-480 v. Chr.) schloss aus fossilen Muscheln, dass einige Landstriche einst unter Wasser lagen. Im Mittelalter befasste sich der persische Naturforscher Ibn Sina, der in Europa als Avicenna bekannt ist, mit Fossilien und schlug eine Theorie der versteinernden Flüssigkeiten vor, die Albert von Sachsen im 14. Der chinesische Naturforscher Shen Kuo (1031-1095) schlug eine Theorie des Klimawandels vor, die auf dem Vorhandensein von versteinertem Bambus in Regionen beruhte, die zu seiner Zeit zu trocken für Bambus waren. ⓘ
Im Europa der frühen Neuzeit wurde das systematische Studium von Fossilien zu einem integralen Bestandteil der Veränderungen in der Naturphilosophie, die im Zeitalter der Vernunft stattfanden. In der italienischen Renaissance leistete Leonardo da Vinci verschiedene bedeutende Beiträge zu diesem Gebiet und stellte zahlreiche Fossilien dar. Leonardos Beiträge sind für die Geschichte der Paläontologie von zentraler Bedeutung, da er eine Kontinuitätslinie zwischen den beiden Hauptzweigen der Paläontologie - der Ichnologie und der Paläontologie der Körperfossilien - herstellte. Er stellte Folgendes fest:
- Die biogene Natur von Ichnofossilien, d. h. Ichnofossilien sind Strukturen, die von lebenden Organismen hinterlassen wurden;
- Die Nützlichkeit von Ichnofossilien als Paläoumweltinstrumente - bestimmte Ichnofossilien zeigen den marinen Ursprung von Gesteinsschichten;
- Die Bedeutung des neoichnologischen Ansatzes - rezente Spuren sind ein Schlüssel zum Verständnis von Ichnofossilien;
- Die Unabhängigkeit und Komplementarität von Ichnofossilien und Körperfossilien - Ichnofossilien unterscheiden sich von Körperfossilien, können aber mit Körperfossilien integriert werden, um paläontologische Informationen zu liefern ⓘ
Ende des 18. Jahrhunderts begründete Georges Cuvier mit seiner Arbeit die vergleichende Anatomie als wissenschaftliche Disziplin und bewies mit dem Nachweis, dass einige fossile Tiere keinen lebenden Tieren ähneln, dass Tiere aussterben können, was zur Entstehung der Paläontologie führte. Das wachsende Wissen über die Fossilien spielte auch eine zunehmende Rolle bei der Entwicklung der Geologie, insbesondere der Stratigraphie. ⓘ
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden die geologischen und paläontologischen Aktivitäten mit der Gründung von geologischen Gesellschaften und Museen und einer wachsenden Zahl von professionellen Geologen und Fossilienspezialisten immer besser organisiert. Das Interesse an der Geologie und Paläontologie nahm nicht nur aus wissenschaftlichen Gründen zu, sondern auch, weil sie den Industriellen half, natürliche Ressourcen wie Kohle zu finden und auszubeuten. Dies trug zu einem raschen Wissenszuwachs über die Geschichte des Lebens auf der Erde und zu Fortschritten bei der Definition der geologischen Zeitskala bei, die weitgehend auf fossilen Beweisen beruhte. Obwohl sie von der wissenschaftlichen Gemeinschaft kaum anerkannt wurde, leistete Mary Anning in dieser Zeit einen bedeutenden Beitrag zur Paläontologie; sie entdeckte mehrere neuartige Reptilienfossilien aus dem Mesozoikum und stellte fest, dass es sich bei den damals so genannten Bezoar-Steinen in Wirklichkeit um versteinerte Fäkalien handelt. 1822 prägte Henri Marie Ducrotay de Blainville, Herausgeber des Journal de Physique, den Begriff "Paläontologie" für das Studium alter Lebewesen anhand von Fossilien. Als sich das Wissen über die Geschichte des Lebens weiter verbesserte, wurde es immer offensichtlicher, dass es eine Art sukzessiver Ordnung in der Entwicklung des Lebens gegeben hatte. Dies förderte frühe Evolutionstheorien über die Verwandlung von Arten. Nachdem Charles Darwin 1859 "Die Entstehung der Arten" veröffentlicht hatte, verlagerte sich der Schwerpunkt der Paläontologie auf das Verständnis der Evolutionswege, einschließlich der menschlichen Evolution, und der Evolutionstheorie. ⓘ
In der letzten Hälfte des 19. Jahrhunderts nahm die paläontologische Tätigkeit, insbesondere in Nordamerika, enorm zu. Dieser Trend setzte sich im 20. Jahrhundert fort, als weitere Regionen der Erde für die systematische Sammlung von Fossilien erschlossen wurden. Die gegen Ende des 20. Jahrhunderts in China gefundenen Fossilien waren besonders wichtig, da sie neue Informationen über die früheste Entwicklung der Tiere, die frühen Fische, die Dinosaurier und die Entwicklung der Vögel lieferten. In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts erwachte das Interesse an Massenaussterben und ihrer Rolle in der Entwicklung des Lebens auf der Erde. Auch das Interesse an der kambrischen Explosion, bei der sich offenbar die Baupläne der meisten Tiergruppen entwickelt haben, wurde erneut geweckt. Die Entdeckung von Fossilien der Ediacaran-Biota und die Entwicklungen in der Paläobiologie erweiterten das Wissen über die Geschichte des Lebens weit vor dem Kambrium. ⓘ
Das zunehmende Bewusstsein für Gregor Mendels Pionierarbeit auf dem Gebiet der Genetik führte zunächst zur Entwicklung der Populationsgenetik und dann Mitte des 20. Jahrhunderts zur modernen Evolutionssynthese, die die Evolution als Ergebnis von Ereignissen wie Mutationen und horizontalem Gentransfer erklärt, die für genetische Variation sorgen, wobei genetische Drift und natürliche Selektion Veränderungen dieser Variation im Laufe der Zeit bewirken. Innerhalb der nächsten Jahre wurden die Rolle und die Funktionsweise der DNA bei der Vererbung entdeckt, was zu dem führte, was heute als das "zentrale Dogma" der Molekularbiologie bekannt ist. In den 1960er Jahren begann die molekulare Phylogenetik, die Untersuchung evolutionärer "Stammbäume" mit Hilfe von Techniken aus der Biochemie, einen großen Einfluss auszuüben, insbesondere als vorgeschlagen wurde, dass sich der menschliche Stammbaum erst vor viel kürzerer Zeit von den Affen abgespalten hatte, als zu dieser Zeit allgemein angenommen wurde. Obwohl diese frühe Studie Proteine von Affen und Menschen verglich, basieren die meisten molekularen phylogenetischen Untersuchungen heute auf dem Vergleich von RNA und DNA. ⓘ
Als Begründer der modernen, nach wissenschaftlichen Kriterien arbeitenden Paläontologie gilt der französische Naturforscher Georges Cuvier (1769–1832). Seine Ansicht, dass Katastrophen das Leben auf der Erde jeweils komplett auslöschten und der Mensch erst nach der letzten Eiszeit erschaffen wurde, widerlegte bereits der britische Geologe Charles Lyell (1797–1875), der die Eiszeittheorie beisteuerte. Parallel dazu erkannte der französische Amateurarchäologe Jacques Boucher de Perthes (1788–1868) als erster in den Steinartefakten menschliche Schöpfungen. ⓘ
Der Franzose Marcellin Boule (1881–1942) schuf mit seinem Eolithen-Experiment von 1905 die Möglichkeit, menschliche Werkzeuge von natürlich entstandenen Formen zu unterscheiden. Der Schweizer Arzt Otto Hauser (1874–1932) machte in Frankreich (Le Moustier) den professionellen Einstieg in die Höhlen- und Abriforschung. Er stieß dort auf den Widerstand der einheimischen Forschung. ⓘ
Der erste deutsche Paläontologe, der Darwins Abstammungslehre vertrat, war Ernst Haeckel (1834–1919). Er war Zoologe und brachte die Entwicklung zum Menschen über die Hominiden in die Forschung ein. Er hatte Rudolf Virchow zum Gegner, der ihn den „Affenprofessor“ nannte. Haeckels Anregungen wurden von dem niederländischen Anatom, Geologen und Militärarzt Eugène Dubois (1858–1940) und dem deutschen Paläontologen Gustav Heinrich Ralph von Koenigswald (1902–1982) aufgenommen. ⓘ
Seit 1997 wurden in Deutschland 21 Paläontologie-Professuren aufgegeben, acht von 27 Hochschulstandorten wurden ganz gestrichen. ⓘ
Geologische Teilgebiete
- Den Weg vom Absterben eines Individuums bis zum fertigen Fossil beschreibt die Fossilisationslehre (Taphonomie). Sie erklärt ebenfalls die Bildung von so genannten Fossillagerstätten, in denen Reste fossiler Lebewesen besonders zahlreich (Konzentratlagerstätten) oder besonders vollständig erhalten sind (Konservatlagerstätten).
- Die zeitliche Einordnung und das Inbeziehungsetzen (Korrelation) von Sedimentgesteinsformationen und deren Schichtgliedern anhand ihres Fossilinhalts ist der Gegenstand der Biostratigraphie. Dafür werden von den Biostratigraphen unter anderem spezielle Leitfossilien auserkoren.
- Die Biofaziesanalyse versucht den Bildungsraum eines Sedimentgesteins anhand seiner fossilen Lebewesen und Lebensspuren zu charakterisieren. ⓘ
Verwandte Forschungszweige
- Die Geobiologie ist ein Forschungsgebiet, das sich mit den Wechselwirkungen zwischen der Biosphäre und den abiotischen Komponenten des Systems Erde befasst. Da Hinweise zum Wandel der Biosphäre im Verlauf der Erdgeschichte im Wesentlichen in Form von Fossilien vorliegen, ist geobiologische Forschung auf paläontologische Erkenntnisse angewiesen.
- Die Astrobiologie erforscht, unter welchen Bedingungen auf planetaren Welten einfache Lebensformen, komplexe Lebensgemeinschaften und Zivilisationen entstehen. Die Paläontologie kann dafür Hinweise zum Ursprung des Lebens auf der Erde, zur Evolution von Ökosystemen unter extremen Umweltbedingungen, zur Diversifizierung und Höherentwicklung des Lebens auf der Erde und zu den biologisch-geologischen Vorbedingungen der menschlichen Kultur und Zivilisation liefern.
- Paläoklimatologie: Die Rekonstruktion der (älteren) Klimageschichte erfolgt im Wesentlichen mit Hilfe fossiler Lebewesen: In den karbonatischen Skeletten mariner Organismen (wie zum Beispiel Foraminiferen) sind die Sauerstoff-Isotopenverhältnisse, wie sie im Urozean zur Zeit der Skelettabscheidung vorherrschten, konserviert. Da sich die Isotopenverhältnisse oberflächennah je nach Wassertemperatur einstellen, kann aus den massenspektrometrischen Messungen dieser Verhältnisse eine Temperaturkurve abgeleitet werden. Fossilien liefern neben klimaindikativen Sedimenten wie Moränenablagerungen oder Riffkalksteinen auch Hinweise zur früheren Lage von Klimazonen. So lassen sich Ökozonen mit Hilfe von Pflanzen(mikro)fossilien nachzeichnen.
- Die Paläogeographie kann zur Rekonstruktion der früheren Lage von Kontinenten und Ozeanen die geographische Verbreitung fossiler Lebewesen (Paläobiogeographie) hinzuziehen.
- Die Paläochemie beschäftigt sich u. a. mit der chemischen Untersuchung fossiler Funde.
- Die Paläoanthropologie befasst sich mit der Stammesgeschichte des Menschen. Sie ist als Teil der Anthropologie eine Hilfswissenschaft der Ur- und Frühgeschichte und wird als Teil derselben gelehrt. ⓘ
Methoden
Geologische Kartierung
Der gezielten Suche nach Fossilien in einer paläontologischen Grabung geht die geologische Kartierung der (mutmaßlich) fossilführenden Sedimentgesteine voraus. Ziel ist es, neue Fundpunkte zu finden, die Lage der bereits bekannten Fundhorizonte zu benachbarten Schichten und Gesteinseinheiten aufzuklären und den Ablagerungsraum sedimentologisch näher zu charakterisieren, zum Beispiel ob Sedimente in einem See oder in einem Meer gebildet wurden. Eine derartige Übersichtskartierung entfällt, falls das Alter, die stratigraphische Einordnung und die Lithologie der fossilführenden Gesteine bereits hinreichend bekannt sind. ⓘ
Paläontologische Grabung
Eine systematische paläontologische Grabung erfolgt Schicht für Schicht vom Hangenden, das heißt beginnend mit der oben aufliegenden jüngsten Schicht, zum Liegenden, das heißt in Richtung der darunter liegenden älteren Schichten. Begleitend zur Fossiliensuche ist die Geologie der abgetragenen Schichten genau zu beschreiben. Die Horizonte werden durchnummeriert. Die Nummerierung wird auf die Fossilfundstücke übertragen, so dass sie exakt den Horizonten zugeordnet werden können. ⓘ
Falls größere Organismenreste (wie beispielsweise Dinosaurier-Skelette) Ziel der Grabung sind, ist die Lage einzelner Knochen und Skelettteile innerhalb einer Schicht mit Hilfe eines darüber gelegten Rasters exakt zu dokumentieren. Das ist wichtig, um z. B. Sterbehaltungen oder Ablagerungs- und Transportprozesse zu rekonstruieren und Knochen unterschiedlicher Individuen auseinanderzuhalten. ⓘ
Für die Gewinnung von Mikrofossilien werden Gesteinsproben der einzelnen Horizonte genommen und später im Labor aufbereitet. ⓘ
Präparation und Aufbereitung
Noch vor Ort werden bröcklige Fossilreste geklebt bzw. mit alkohollöslichen Chemikalien für die spätere Präparation fixiert. Zum Schutz von Knochenfunden kann auch die Ummantelung mit Gips erforderlich sein. Falls Fossilien auf mehrere Gesteinsplatten verteilt sind, werden diese oft an der Bruchstelle wieder zusammengeklebt. ⓘ
Die spätere Präparation der Fossilien im Labor erfolgt meistens mechanisch, das heißt mit Skalpell und Präpariernadeln (Druckluftmeißel/Airtool) unter der Lupe oder unter Verwendung eines Stereomikroskops. Mit Hilfe von Röntgenstrahlung können vom Gestein verdeckte Fossilienteile lokalisiert werden. Schädigungen bei der Präparation werden auf diese Weise vermieden. ⓘ
Oftmals lassen sich Mikrofossilien mit Hilfe von Säureätzung oder anderen nasschemischen Verfahren aus dem Gestein herauslösen (siehe Mikropaläontologie). ⓘ
Dokumentation, Beschreibung, Klassifikation
Wichtig für die weitere Analyse der Fossilien ist die Darstellung mit verschiedenen Methoden, d. h. zeichnerisch, fotografisch und gegebenenfalls zur Sichtbarmachung filigraner Strukturen mit dem Rasterelektronenmikroskop. ⓘ
Die fotografische und/oder zeichnerische Dokumentation bildet die Grundlage für die Beschreibung und Interpretation eines Fossilfunds und dessen systematische Einordnung. In diesem Rahmen kann auch die Benennung eines neuen Taxons erfolgen. ⓘ
Rekonstruktion
Aus der Fossilzeichnung kann unter Berücksichtigung bereits bekannter Exemplare und/oder Vertreter verwandter Gruppen der ursprüngliche Skelettzusammenhang (bei Tieren) oder Organzusammenhang (z. B. bei Pflanzen) rekonstruiert werden. Eine Rekonstruktion des Lebensbildes kann im Anschluss erfolgen. Dabei fließen Interpretationen zur Funktion, Lebens- und Fortbewegungsweise des fossilen Lebewesens mit ein. Gegebenenfalls wird auch der Todesvorgang des Tieres rekonstruiert. ⓘ
Palökologische Auswertung der Geländedaten
Da die Fossilinhalte aller Fundschichten genau dokumentiert sind, kann in dem Fall, dass die jeweiligen Organismenreste nicht von verschiedenen Ursprungsorten antransportiert wurden, sondern aus demselben Ökosystem stammen, eine Analyse der Faunen- und Florenzusammensetzung und im Anschluss eine Rekonstruktion des Nahrungsnetzes erfolgen. Die sedimentologische Beschreibung liefert ergänzende Hinweise zu Transport- und Ablagerungsprozessen, die zur Bildung des fossilführenden Gesteins führten. ⓘ
Umgekehrt liefern Fossilien den Geologen Aussagen zur Natur des Sedimentationsraums, zum Beispiel, wenn die vorherrschenden Fossiliengruppen nur unter ganz bestimmten Umweltbedingungen (z. B. am Meeresboden in ungetrübtem Wasser bei Temperaturen zwischen 18 und 20 °C und einer Salinität < 2,5 %) vorkamen. ⓘ
Der vertikalen Abfolge von Horizonten entspricht eine zeitliche: Durch den Vergleich der Lebensgemeinschaften verschiedener Horizonte kann auf die Entwicklungsgeschichte eines vorzeitlichen Ökosystems geschlossen werden. ⓘ
Statistische Methoden
Falls die Stichproben groß genug sind, das heißt von einer Art genügend Individuen in einem Horizont gefunden und dokumentiert wurden, können diese als Äquivalent zu einer natürlichen Population in Hinsicht auf die Variabilität von Körpermerkmalen untersucht werden. Auch die Zusammensetzung des Ökosystems kann gegebenenfalls quantitativ erfasst werden (z. B. Räuber-Beute-Zahlenverhältnisse). ⓘ
Geochemische Analysen
Der Chemismus von Gewässern kann Einfluss auf die Zusammensetzung von Skeletten und Gehäusen haben. Oftmals sind in akkretionär wachsenden Hartteilen jahres- und tageszeitliche Schwankungen der chemischen und Isotopen-Zusammensetzung zu verzeichnen. Diese lassen sich zum Teil klimatisch interpretieren (siehe auch Paläoklimatologie). ⓘ
Die chemische Zusammensetzung von Skeletten lässt sich z. B. mit Hilfe von Mikrosondenanalysen aufklären. Die Analyse der Isotopenzusammensetzung erfordert massenspektroskopische Verfahren. ⓘ
Histologische Untersuchungen
Die mikroskopische Analyse von Dünnschliffen, die von Knochen oder Gehäusen angefertigt wurden, liefert Aussagen zum Wachstum und zur früheren Gewebebeschaffenheit der jeweiligen Hartteile. Sie enthalten mitunter wichtige Anhaltspunkte zur Physiologie und Ontogenese des Hartteilbildners. ⓘ
Biomechanische Modelle
Bei vollständiger Erhaltung von Skeletten können Bewegungsabläufe fossiler Tiere in Form von Computermodellen simuliert werden. Auf diese Weise ist es möglich, bestimmte Verhaltens- und Lebensweisen auszuschließen oder als wahrscheinlich anzunehmen. ⓘ
Phylogenetische Analysen
Verwandtschaftsverhältnisse und Stammbäume fossiler Organismengruppen werden heute im Wesentlichen durch Methoden der rechnergestützten Kladistik ermittelt. Dabei werden Merkmalskombinationen der zu untersuchenden fossilen Arten miteinander verglichen und Stammbäume in Form von Verzweigungsschemata (Kladogrammen) nach dem Prinzip der Sparsamkeit errechnet. Dementsprechend repräsentieren die Ergebnisse dieser Analysen den mutmaßlichen Verlauf der Evolution unter der Annahme möglichst weniger Evolutionsschritte. ⓘ
Stratigraphische Beziehung (Korrelation)
Alle fossilen Arten, die eine Fundstätte hervorbringt, kommen in einem bestimmten relativ engen geologischen Zeitraum vor. Falls diese Arten auch von anderen Fundorten bekannt sind, folgt daraus ein möglicher gemeinsamer Bildungszeitraum der verschiedenen Fundschichten. ⓘ
Der Vergleich mehrerer Sedimentgesteinsabfolgen, die bestimmte Fossilien sowie durch geochronologische Methoden datierbare Vulkanite (wie z. B. Tuffe) enthalten, ermöglicht die Zuweisung genauerer Alter (das heißt solcher mit geringeren Fehlerspannen). ⓘ
Besonders gut entwickelt ist die biostratigraphische Untergliederung von überwiegend terrestrischen Sedimenten des Känozoikums in Europa mit Hilfe von Landsäugetierresten. ⓘ