Wie datieren Wissenschaftler Fossilien?

Dies ist der vierte Teil einer fünfteiligen Serie, die von Experten geschrieben wurde, die in der neuen Smithsonian-Ausstellung „Hall of Fossils – Deep Time“ zu sehen sind, die jetzt im National Museum of Natural History gezeigt wird. Die vollständige Serie finden Sie in unserem Deep Time Special Report

„Kein Fossil ist mit seiner Geburtsurkunde begraben“, schrieb der renommierte Wissenschaftsredakteur Henry Gee in seiner Abhandlung „In Search of Deep Time“ aus dem Jahr 2000. Das stimmt zwar, aber Fossilien sind mit einer Fülle von Hinweisen begraben, die es uns erlauben, ihre Geschichte zu rekonstruieren. Eine Reihe von absoluten Datierungstechniken hat es möglich gemacht, die Zeitskala der Erdgeschichte zu bestimmen, einschließlich des Alters und des Ursprungs des Lebens, des Zeitpunkts von Massenaussterben und der Aufzeichnung der menschlichen Evolution.

Im Jahr 2013 entdeckte unser Forschungsteam in der Afar-Region in Äthiopien einen seltenen fossilen Kieferknochen, der zu unserer Gattung, Homo, gehört. Um das Rätsel zu lösen, wann dieser menschliche Vorfahre auf der Erde lebte, suchten wir in nahegelegenen vulkanischen Ascheschichten nach Antworten. Mit der Lupe eines Geologen können wir die Asche sorgfältig nach winzigen Mineralien absuchen, die kleiner sind als ein einzelnes Streuselkorn auf einem Zuckerkeks und die den Schlüssel zur Bestimmung des Alters eines Fossils darstellen.

Die Arbeit in diesem Teil Äthiopiens ist ein ziemliches Abenteuer. Es ist eine Region, in der 90 Grad Fahrenheit kühl erscheinen, Staub ist eine Selbstverständlichkeit, Wasser nicht, und ein normaler täglicher Arbeitsweg beinhaltet das Rennen mit Straußen und das Bremsen für Kamele, während wir uns Wege durch die Wüste bahnen. Doch diese karge und lebensfeindliche Landschaft ist einer der wichtigsten Orte der Welt, um zu untersuchen, wann und wie die frühen Menschen begannen, aufrecht zu gehen, Werkzeuge zu benutzen und sich an ihre sich verändernde Umgebung anzupassen.

Die Afar-Region weist geschichtete Sedimentgesteine auf, die dünne weiße Vulkanasche enthalten, die wir zur Datierung des fossilen Kiefers verwenden könnten.
Die Afar-Region weist geschichtete Sedimentgesteine auf, die dünne weiße Vulkanasche enthalten, die wir zur Datierung des fossilen Kiefers verwenden könnten. (Erin DiMaggio, Penn State University)

Früh, bevor wir genauere Mittel zur Datierung von Fossilien hatten, verließen sich Geologen und Paläontologen auf relative Datierungsmethoden. Sie betrachteten die Position der Sedimentgesteine, um die Reihenfolge zu bestimmen. Stellen Sie sich Ihren Wäschekorb vor – die schmutzigen Klamotten, die Sie letztes Wochenende getragen haben, liegen ganz unten, aber die von heute liegen oben auf dem Stapel. Das Konzept für Sedimentgesteine ist das gleiche. Ältere Gesteine liegen unten, jüngere oben. Die Forscher nutzten auch die Biostratigraphie, d. h. die Untersuchung des Auftretens, der Vermehrung und des Verschwindens von Fossilien in den Gesteinsschichten, um relative Altersangaben zu machen. Wir verwenden diese relativen Datierungsmethoden auch heute noch als ersten Ansatz zur Datierung von Fossilien, bevor wir ein numerisches oder absolutes Alter zuordnen.

Können wir tatsächliche Fossilien datieren? Manchmal.

Wissenschaftler, sogenannte Geochronologen, sind Experten für die Datierung von Gesteinen und Fossilien und können mit Hilfe der Radiokohlenstoffdatierung oft Fossilien datieren, die jünger als etwa 50.000 Jahre alt sind. Diese Methode wurde verwendet, um Daten für alle Arten von interessantem Material wie Höhlen-Felskunst und versteinerte Kacke zu liefern. Leider sind Fossilien wie unser Kieferknochen und auch die Dinosaurier, die in der neuen Ausstellung „Fossil Hall – Deep Time“ im Smithsonian’s National Museum of Natural History zu sehen sind, einfach zu alt für die Radiokohlenstoffdatierung. In diesen Fällen müssen wir uns auf die Gesteine selbst verlassen. Wir datieren die Gesteine und können daraus auf die Fossilien schließen.

In Afar, Äthiopien, wurde 2013 von unserem Forschungsteam ein seltener fossiler Kieferknochen entdeckt, der zu unserer Gattung emHomo/em gehört. Um das Rätsel zu lösen, wann dieser menschliche Vorfahre auf der Erde lebte, suchten wir in vulkanischen Ascheschichten nach Antworten.
In Afar, Äthiopien, wurde 2013 von unserem Forschungsteam ein seltener fossiler Kieferknochen entdeckt, der zu unserer Gattung Homo gehört. Um das Rätsel zu lösen, wann dieser menschliche Vorfahre auf der Erde lebte, suchten wir in vulkanischen Ascheschichten nach Antworten. (William H. Kimbel, Arizona State University)

Die erste große Herausforderung besteht darin, die richtige Art von Gestein zu finden, das wir für Laboranalysen sammeln können. Wir haben das Glück, dass die Afar-Region vulkanische Aschehorizonte in den sedimentären Gesteinsschichten aufweist. Tatsächlich fand unser Team direkt unter der Stelle, an der der fossile Kieferknochen entdeckt wurde, eine neue vulkanische Ascheschicht, die wir den Gurumaha-Tuff nannten. Das Wort „Gurumaha“ bedeutet in der lokalen Sprache „Milchshake“ – ein Spiegelbild unserer Denkweise in der Nachmittagshitze von 90 Grad. In gewissem Sinne können wir uns vulkanische Ascheschichten als vergrabene Stoppuhren vorstellen. Wenn der Vulkan ausbricht, beginnt der Timer zu laufen, und wir verwenden absolute Datierungstechniken, um die verstrichene Zeit zu bestimmen.

Vulkanisches Gestein enthält typischerweise natürlich radioaktive Mineralien – unsere Zuckerstreusel. Wir können diese Mineralien mit Techniken datieren, die auf dem radioaktiven Zerfall von Isotopen basieren, der mit bekannten Raten stattfindet. Zur Messung von Isotopen werden normalerweise Laser und Massenspektrometer und manchmal sogar Kernreaktoren eingesetzt. Wir berechnen das Alter anhand der Zerfallsrate und der Isotopenmessungen, was uns die verstrichene Zeit auf unserer Stoppuhr liefert.

Wir haben den Gurumaha-Tuff erfolgreich auf ein Alter von 2,82 Millionen Jahren datiert, indem wir das natürlich radioaktive Mineral Feldspat datierten. Da der Kieferknochen von oberhalb des Gurumaha-Tuffs erodiert ist, muss er jünger sein. Wir berechneten, dass der Kieferknochen zwischen 2,80 und 2,75 Millionen Jahre alt ist, was ihn zum ältesten bekannten Fossil der Gattung Homo macht.

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Wir datierten den Gurumaha Tuff erfolgreich auf 2.82 Millionen Jahre alt, indem wir das natürlich radioaktive Mineral Feldspat datierten (oben, mit einem Mikroskop betrachtet). (Erin DiMaggio, Penn State University.)

Geochronologen haben eine Fülle von Werkzeugen zur Verfügung, aber dennoch erweisen sich einige Gesteine und Fossilien als schwierig zu datieren. Innovationen bei bestehenden Datierungsmethoden beseitigen diese Barrieren. Zum Beispiel erlauben Überarbeitungen einer Methode namens Elektronen-Spin-Resonanz den Wissenschaftlern, seltene Fossilien wie Hominin-Zähne zu datieren, weil sie das Fossil direkt datieren können, ohne das Exemplar sichtbar zu beschädigen. Im Afar versuchen die Wissenschaftler, die tatsächlichen Schichten zu datieren, aus denen die Fossilien erodieren, anstatt sich auf das Vorhandensein von Vulkanasche zu verlassen. Dies würde das Alter der fossilführenden Gesteine genauer bestimmen und neue Gebiete für die Erforschung erschließen, in denen solche Schichten fehlen.

Fossilien umfassen einen geologischen Zeitraum von Hunderten bis hin zu Milliarden von Jahren und werden in vielen Gesteinsarten und Umgebungen gefunden. Die Auswahl einer geeigneten Datierungstechnik ist ein entscheidender Schritt, um ein aussagekräftiges und genaues Alter zu erhalten.

Wissenschaftler haben Fossilien, die in südafrikanischen Höhlen gefunden wurden, auf ein Alter zwischen 236.000 und 335.000 Jahren datiert, indem sie verschiedene Geochronometer verwendeten, darunter die optisch stimulierte Lumineszenz, ein Werkzeug, mit dem man den letzten Zeitpunkt berechnen kann, an dem Höhlensedimente dem Licht ausgesetzt waren. Eine andere gängige Methode, die Uran-Blei-Datierung, beruht auf dem radioaktiven Zerfall von Uran und kann dazu verwendet werden, Gesteine zu datieren, die die ältesten bekannten Fossilien der Erde enthalten – älter als 3,5 Milliarden Jahre! Zum Vergleich: Das Alter der Erde beträgt 4,54 Milliarden Jahre, aber unsere Spezies gibt es erst seit etwa 300.000 Jahren.

Das Alter der Erde und der Ursprung des Lebens ist fast unergründlich, aber die neue Deep Time Hall des Smithsonian soll uns helfen, die enorme Geschichte der Erde im Lichte unserer heutigen Einflüsse zu begreifen. Der Geologe James Hutton erkannte im 18. Jahrhundert, dass geologische Prozesse lange Zeitskalen benötigen, ein Konzept, das zentral für das ist, was wir mit dem Begriff Tiefenzeit meinen. Der Zweck der Geochronologie – die Datierung von Gesteinen und Fossilien – ist es, die Daten, die wir erhalten, miteinander zu verweben, um die außergewöhnliche Geschichte der Tiefenzeit der Erde zu erzählen.

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