Was Atome verraten können
Tübinger Geologen erforschen Paläoklima anhand fossiler Haifischzähne Im Miozän, vor rund 20 Millionen Jahren, waren Teile des heutigen Baden-Württembergs und Bayerns noch von Ozeanwasser überflutet. Paratethys wird dieses Randmeer nördlich der Alpen rückblickend genannt, das vom größeren Ozean Tethys durch die Hebung der Alpen abgetrennt wurde. Damals ragten die Alpen erst etwa zwei Kilometer aus dem Meer. Bis sie die heutige Höhe von knapp fünf Kilometern erreichten, wurden bei den Verschiebungsprozessen auch die umliegenden Landmassen aus dem Meer gehoben. Die Land- und Wasser-Verteilung änderte sich während dieses Prozesses. Doch die Nachkommen lebendiger Zeitzeugen existieren noch heute: die Haifische. Die Zähne ihrer Ahnen haben sich über Jahrmillionen als Fossilien im sandigen Sediment Baden-Württembergs und Bayerns, Molasse genannt, erhalten. Dr. Torsten Vennemann vom Institut für Mineralogie, Petrologie und Geochemie der Universität Tübingen kann aus der Untersuchung der Zähne auf das Klima schließen, das zu Lebzeiten der Haie herrschte. Dabei soll sich zeigen, welchen Einfluss die Hebung der Alpen auf das lokale und möglicherweise globale Klima hatte. Wie hängen aber Haifischzahn und Meeresklima zusammen? "Ein Haifischzahn wächst über einige Tage bis Wochen und wandert dann über die bis zu acht Zahnreihen im Gebiss hinaus bis zur vordersten Reihe. Dies dauert etwa zwei Monate bis anderthalb Jahre je nach Haiart und Alter", sagt Vennemann. Dabei werden verschiedene Stoffe in das Dentin und den Schmelz des Zahnes eingebaut. Der Aufbau des Haifischzahnes ähnelt dem menschlichen und besteht größtenteils aus Calciumphosphat. Sauerstoff bildet zusammen mit Phosphor und Calcium die Struktur des Phosphats. Unter anderem gelangt Strontium in das Zahnmaterial, das wegen seiner ähnlichen Atomstruktur manchmal statt Calcium in das Phosphat eingebaut wird, außerdem Neodym. Die einzelnen Atome der Elemente gleichen sich chemisch gesehen wie das eine sprichwörtliche Ei dem anderen. Doch lassen sie sich physikalisch in verschiedene Gruppen teilen: ein kleiner Anteil der chemischen Elemente ist etwas schwerer als die anderen, da zusätzliche, ungeladene Teilchen im Kern enthalten sind. Die unterschiedlich schweren Atome eines Elements heißen auch Isotope. Die Anteile der verschiedenen Isotope des Strontiums haben sich über die Millionen von Jahren der Erdzeitalter hinweg verändert, die Verteilung im Meerwasser ist den Wissenschaftlern aus anderen Untersuchungen an Sedimenten und Fossilien bekannt. Außerdem haben Strontium- und Neodym-Isotopen-Studien gezeigt, dass Fischzähne die Isotopenmuster des umgebenden Meerwassers widerspiegeln: "Das Verhältnis von schweren zu leichten Atomen eines Elements wie Strontium oder Neodym ist im umgebenden Meereswasser und im Haifischzahn gleich", erklärt der Geologe und Geochemiker. Daher kann der Forscher vom Muster der Strontium-Isotope auf das Alter bestimmter Haifischzähne schließen. Auch vom Element Sauerstoff gibt es verschiedene Isotope. Hier ist der Einbau der verschieden schweren Atome in den Zahn von der Temperatur abhängig. Aus dem Isotopenmuster kann Vennemann daher auf das Leben des Haifisches in einer Warm- oder Kaltzeit schließen. "Wir gehen davon aus, dass sich die Isotopen-Zusammensetzungen der Zähne zwischen ihrer Bildung und schließlich ihrem Fund nach Millionen Jahren nicht verändert haben, das Zahnmaterial ist sehr resistent gegen Verwitterung und haltbarer als Knochen", sagt der Geochemiker. Die Haifische sind aber nicht nur wegen ihrer haltbaren Zähne ein gutes Objekt für die Erforschung des Paläoklimas. Den Wissenschaftlern kommt auch zugute, dass sich die Tiere während der Evolution nur wenig verändert haben. "Ausgehend von der Lebensweise der rezenten, jetzt lebenden Arten lassen sich recht genaue Rückschlüsse auf die früheren Haie ziehen", erklärt Vennemann, der mit Biologen zusammen arbeitet. Spezialisten können die unterschiedlichen Haifischarten am Bau der Zähne unterscheiden. Unterschiedliche Haifischarten wie etwa Tigerhai oder Weißer Hai halten sich überwiegend jeweils in einer bestimmten Wassertiefe auf. Vennemann kann deswegen aus diesen Daten und den Isotopenmessungen abschätzen, welche Temperaturen das Meerwasser bestimmter Tiefe zu Lebzeiten der Haie hatte. Vennemann hat zunächst Haifischzähne in Süddeutschland, in Ballendorf bei Langenau und in Äpfingen bei Biberach, gesammelt und auf die Isotopenmuster der verschiedenen Elemente untersucht. Selten sind die uralten Zähne nicht. "An guten Fundorten kann man in zwei Stunden 40 bis 60 Haifischzähne aus dem Sediment heraussieben", sagt Vennemann. An schlechteren Fundstellen sind es deutlich weniger. Doch dem Geologen und Geochemiker reichen für seine Analysen wenige Zähne aus. Die Haifischzähne finden sich in den Molasse-Sedimenten, die sich in den rund 60 Millionen Jahren der Hebung des Landes aus dem Meer, des heutigen Deutschlands nördlich und Italiens südlich der Alpen, abgelagert haben. Nach der Strontium-Messung sind die Zähne aus Ballendorf rund 22 Millionen Jahre alt, die aus Äpfingen rund 17 Millionen Jahre. "Hier ergibt sich die Gelegenheit, die Verbindungen zwischen der Gebirgshebung und Klimaschwankungen zu untersuchen", erklärt der Wissenschaftler. Tatsächlich hat sich die Meerwassertemperatur nach den Isotopenmessungen an den Haifischzähnen in dieser Zeit von 20 auf 16 Grad abgekühlt. Nun bleibt zu klären, ob die Abkühlung mit der Alpenhebung zusammenhing oder ob sich die Meeresströmungen verändert hatten. "Bei Vergleichen mit dem terrestrischen Klima in dieser Zeit ließ sich eine solche Temperaturänderung dort nicht finden. Allerdings können sich die Temperaturen im Ozean und an Land unterschiedlich entwickeln. Aktuell gibt es eine solche Situation zum Beispiel in Namibia: Das Land ist warm, im Meer dominiert ein Kaltwasserstrom", sagt Vennemann. Das Paratethys-Randmeer war nach den Untersuchungen an den Fundorten Äpfingen und Ballendorf nicht völlig vom offenen Ozean abgetrennt. "Wahrscheinlich gab es eine Verbindung über den Rheingraben, das Wasser über den Flächen des heutigen Baden-Württembergs und Bayerns war chemisch dem Atlantikwasser sehr ähnlich", so Vennemann. Die Untersuchungen zum Paläoklima gehen auch in Klimamodelle ein, mit denen Vorhersagen über das künftige Klima auf der Erde getroffen werden sollen. "Studien über den Zusammenhang zwischen Gebirgshebungen und Klimaschwankungen gibt es bisher wenig. Wir wissen auch wenig darüber, wie heutige große Gebirge, Rocky Mountains und Himalaya, das Klima bestimmen. Ob zum Beispiel der Monsun durch das Himalaya-Gebirge verursacht wird", erklärt Vennemann. Die Untersuchungen in Süddeutschland sollen daher auf weitere Fundstellen von Haifischzähnen bis nach Griechenland ausgeweitet werden. "Dann lässt sich auch das Paläoklima nördlich und südlich der Alpen vergleichen und das jeweilige lokale Klima mit heutigen Daten", erklärt der Geochemiker. Aber auch zeitlich will er die Untersuchungen in Süddeutschland ausweiten und das Klima vor etwa 15 Millionen Jahren erforschen: "Damals war das Paratethys-Meer in Baden-Württemberg und Bayern dann verschwunden und Haie gab es auch nicht mehr. Bei den Untersuchungen müssen wir daher auf Knochen und Zähne von Huftieren, insbesondere Pferden, zurückgreifen."

(uni Tübingen- Pressemitteilung)

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