Fossil, Spur vergangener Lebensformen und damit erster Hinweis auf die Existenz unvorstellbar langer ►Zeitalter vor der Zeit des Menschen.

Taphonomie ist die Lehre, die sich mit der Entstehung von Fossilien beschäftigt. Da es unterschiedliche Arten von Fossilien gibt, kennt die Taphonomie verschiedene Prozesse, die zur Bildung von Fossilien führen.

Fossile Bakterienmatten (Stromatolithen)

Stromatolithen sind die ältesten bekannten Fossilien, die man in bis zu 3,4 Milliarden Jahre alten Gesteinsschichten (z.B. in Westaustralien) findet. Sie bestehen aus feinschichtigen Kalkablagerungen und bilden blumenkohlartige Strukturen aus Knollen, Säulen oder welligen Lagen. Die Kalkablagerungen werden durch Stoffwechselprozesse von Matten von Cyanobakterien (Blaualgen) verursacht. Neueren Forschungsergebnissen zufolge können auch andere frühe Lebensformen Stromatolithen gebildet haben. Durch die Stoffwechsel-Aktivitäten der Bakterienmatten (Aufnahme von kalkhaltigem Wasser + Kohlendioxid + Sonnenlicht) wird Sauerstoff und Kalziumkarbonat ausgeschieden. Letzteres bildet die Kalkschichten.

Stromatolithen spielten in der Entwicklung des Lebens auf der Erde eine wichtige Rolle: Sie bildeten Riffe, lange bevor es Korallen gab, und trugen wesentlich zur Freisetzung von elementarem Sauerstoff in die ursprünglich sauerstofffreie Erdatmosphäre bei. Lebende Stromatolithen existieren noch heute in salzhaltigen, sauerstoffarmen Gewässern, etwa in flachen Lagunen in Westaustralien.

Versteinerung von Wirbeltieren (Petrifikation)

Versteinerung kann eintreten, wenn ein toter Organismus vor dem vollständigen Zerfall in ein verwesungshemmendes Substrat eingebettet wird. Daher findet man Versteinerungen nur an einigen Orten auf der Erde, wo diese Bedingungen vorkommen:

► Flussgebiete mit Schwemmsand,
► Schlammgründe von Seen und Meeren,
► Sümpfe und Lehmgruben,
► Berghänge, die Schlammlawinen auslösen,
► Bitumen- oder Teergruben oder Erdölseen,
► Feinsandwüsten mit Sandverwehungen,
► Vulkanasche.

Die Einbettung in angeschwemmtes, luftundurchlässiges Substrat wie Lehm oder Schlamm ist besonders günstig. Reine Sandablagerungen (Sandstein) enthalten selten Fossilien, da diese normalerweise bei der Diagenese zerstört werden.

Diagenese ist der geologische Prozess, den Lockersedimente (Lehm, Schlamm, Sand, Kalkablagerungen) durchlaufen, wenn sich aus ihnen Sedimentgestein bildet. Sedimente bauen sich durch immer neu hinzukommendes Material schichtweise auf. Mit zunehmender Bedeckung erhöhen sich Druck und Temperatur der tieferen Schichten, die dabei verdichtet und entwässert werden. Durch Lösung von Mineralen (vor allem Karbonate, Kalk) und Kristallbildung verfestigt sich das lockere Material. Aus lockerem Sand wird so fester Sandstein, aus Kalksteinen wird durch Kieselsäure-Anreicherungen und Quarzbildung Feuerstein.

Während der Diagenese verwest der Organismus durch Luftabschluss sehr langsam und hinterlässt einen Hohlraum im umgebenden Gestein, der mit der Zeit von einsickernden Mineralien oder von aus eindringenden Lösungen sich abscheidenden Mineralien (Calcit, Dolomit, Fluorit, Hämatit, Kieselsäure) ausgefüllt wird. Hierdurch entstehen Stein- oder Quarzkerne als Fossilien. Das vom Fossil ins Umgebungsgestein ausgewanderte organische Material bleibt - je nach Substanz - in der Nähe und reichert das Gestein um Kohlenstoffverbindungen an. Zuweilen bleiben Reste der Knochenbestandteile, die überwiegend aus Calcium-Verbindungen (Calciumphosphate) bestehen, erhalten. Bei der Einbettung in Bitumen oder in weichen Schlamm, der zur Bildung von extrem haltbaren Fossilien führen kann, ist in seltenen Fällen sogar noch Weichteilsubstanz erhalten.

Versteinertes Holz

Die meisten der versteinerten Hölzer sind durch Verkieselungsprozesse entstanden. Nach Einbettung von Holz in Sedimentschichten beginnt ein Prozess, bei dem im Laufe der Zeit zuerst die Zellzwischenräume und Hohlräume und schließlich auch die Zellwände durch Kieselsäureverbindungen ausgefüllt werden. Kieselsäure (Siliziumdioxid) ist Bestandteil von Sedimentgestein, vor allem Vulkanasche. Sämtliches organisches Material wird nach und nach durch die Kieselsäure ersetzt. Im weiteren Verlauf kristallisiert die Kieselsäure zu Quarz (Chalcedon). Neben dem häufigen Prozess der Verkieselung gibt es noch andere Prozesse, die Hölzer "versteinern" lassen, wobei andere Mineralien beteiligt sind.

Einschlüsse in Baumharz (Bernstein und Kopal)

Bernstein ist fossiles Baumharz, das mitunter Inklusen - Insekten, Pflanzenreste oder kleine Wirbeltiere (Eidechsen) - enthält. Sie bleiben an der klebrigen Flüssigkeit hängen und werden von nachfließendem Harz umschlossen. Danach beginnt der Abbau der Weichteile, wobei Muskeln, Drüsen und Körperflüssigkeit durch Körperöffnungen und Körperwandung austreten. Deshalb ist die Umgebung der Inklusen häufig milchig-trübe. Die Inklusen selbst sind in der Regel nur noch Hohlräume, ausgekleidet mit einer Kohlenstoffpatina, den Resten des ehemaligen Organismus. Selten finden sich im Inneren auch Reste von Gewebe.

Bernsteinfossilien sind die einzigen Fossilen, bei denen man ohne Kenntnis des Fundorts eine direkte Altersabschätzung vornehmen kann. Die Bildung von Bernstein dauert ca. 10 Millionen Jahre; in dieser Zeit entweichen die flüchtigen Bestandteile (Öle) des Harzes, und die Kohlenwasserstoffketten polymerisieren. Sauerstoff und UV-Strahlen lassen Bernstein verwittern, so dass sein Maximalalter etwa 260 Millionen Jahre beträgt. Jüngeres, noch nicht vollständig zu Bernstein umgewandeltes Baumharz wird als Kopal bezeichnet und ist erheblich billiger zu erwerben. Im Kopal hat der Polymerisationsprozess eingesetzt, die Substanz enthält jedoch noch flüchtige Öle. Kopal kann ebenfalls Inklusen enthalten, die aber nur einige zehntausend bis zu wenigen Millionen Jahre alt sind. Zwischen Bernstein und Kopal kann man mit chemischen Methoden (Lösungsmittel, Gaschromatograph) unterscheiden.

Altersbestimmung

Es ist normalerweise nicht möglich, das Alter einer Versteinerung direkt zu bestimmen. Jedoch lässt sich meistens das Fossilalter aus dem Alter der einbettenden Sedimentschicht ableiten. Hierzu gibt es viele Dutzend Methoden, die teils absolute, teils relative (vergleichende) Alterswerte liefern. Die wichtigsten:

Warvenchronologie: Absolute Altersbestimmung für junge Fossilien in Sedimentschichten, die sich am Grund von Seen gebildet haben. Aufgrund der jährlichen Schneeschmelze zeigt das Sediment ein charakteristisches Streifenmuster ähnlich den Jahresringen von Bäumen. In verschiedenen Seen in Europa wurde das Muster der Sedimentschichten bereits bis zu einem Alter von 75.000 Jahren kartiert.

Lumineszenzdatierung: Absolute Altersbestimmung, bei der das Gestein mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt und das Nachleuchten (Lumineszenz) gemessen wird. Da die Lumineszenzfähigkeit durch Sonnenlicht "gelöscht" wird und sich dann langsam wieder aufbaut, lässt sich durch Messung der Restlumineszenz festzustellen, wann das Gestein zuletzt dem Sonnenlicht ausgesetzt war. Dieses Verfahren funktioniert bis zu einem Alter von 500,000 Jahren.

Magnetostratigraphie: Relative Altersbestimmung. Das Erdmagnetfeld polt sich in unregelmäßigen Abständen um. Pro Milliarde Jahre treten ca. 2000 Umpolungen auf. Die Polarität wird magnetischen Mineralien (Magnetit, Hämatit) bei der Diagenese aufgeprägt. Hierdurch entsteht ein charakteristisches Umpolungsmuster in den Sedimentschichten, das ähnlich wie Jahresringe mit einer Genauigkeit von ca. 100.000 Jahren ausgewertet werden kann.

Globale Katastrophen: Relative Altersbestimmung. Ereignisse wie Vulkanausbrüche oder Meteoriteneinschläge verursachen charakteristische Einlagerungen im Sediment. Dadurch können Sedimente altersmäßig verglichen werden. Zum Beispiel hat sich eine Iridium-Schicht, die beim Aufprall eines großen Meteoriten in Yucatan vor ca. 65 Millionen Jahren entstanden ist, weltweit in alle Sedimentgesteine der damaligen Zeit eingelagert.

Radiometrische Datierung: Absolute Altersbestimmung. Radioaktive Elemente wie Uran zerfallen mit einer genau bekannten ►Halbwertszeit in Tochterisotope (Blei). Dies macht man sich zunutze, um durch Messung der Massenverhältnisse von Mutter- und Tochterisotopen in radioaktiven Mineralien die Entstehungszeit des Minerals zu ermitteln. Je nach verwendeten Isotopen gibt es verschiedene Datierungsmethoden. Die genaueste ist die Uran/Blei-Methode in Zirkon-Kristallen, da diese Kristalle kein externes Blei aufnehmen, was eine Verfälschung der Messergebnisse durch Verunreinigungen ausschließt. Die radiometrische Datierung liefert ein um bis zu 1% genaues Ergebnis in einem Bereich bis zu 4.5 Milliarden Jahren.


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