Die Ziele dieses Kapitels sind:
- Erklären der verschiedenen Arten der Fossilerhaltung
- Bestimmen der Art der Erhaltung von Proben
Jeder weiß, was ein Fossil ist! Aber wie definiert man diesen Begriff? In diesem Labor werden wir ihn so definieren, dass er jeden Beweis für die Existenz von prähistorischem Leben bezeichnet. Was bei dieser Definition schwierig ist, ist die Frage, was unter prähistorisch zu verstehen ist. Würden Sie die in Pompeji konservierten Leichen als Fossilien betrachten oder wie wäre es mit den Überresten eines gefrorenen Mastodons aus dem Pleistozän, das gut genug erhalten war, um gegessen zu werden? Manche sagen, dass alles, was älter als 11.000 Jahre ist, ein Fossil ist, aber dieser Teil unserer Definition ist eine Frage der Semantik. Ein guter Ort, um mehr über Fossilien und Fossilisierung zu erfahren, ist der Digital Atlas of Ancient Life.
Wir beginnen dieses Kapitel darüber, wie Organismen versteinert werden, mit einer kurzen Übung. Abbildung 6.1 enthält drei verschiedene Organismen.
- Welcher Organismus in Abbildung 6.1 hat deiner Meinung nach die größte Chance, ein Fossil zu werden und warum?
- Welcher Organismus hat deiner Meinung nach die größte Chance, ein Spurenfossil zu hinterlassen? ____________________
6.2 Arten der Erhaltung
Fossilien werden durch drei Hauptmethoden erhalten: unveränderte weiche oder harte Teile, veränderte harte Teile und Spurenfossilien. Du hast bereits in Kapitel 4 über Spurenfossilien gelernt. Die Taphonomie ist die Wissenschaft davon, wie Organismen zerfallen und versteinern oder von der Biosphäre in die Lithosphäre übergehen.
Unveränderte Fossilien sind unglaublich selten, es sei denn, sie sind in Bernstein eingefangen, in Teer eingeschlossen, ausgetrocknet oder als konserviertes Wollmammut eingefroren. Bernstein ist ein versteinertes Baumharz, das Blumen, Würmer, Insekten sowie kleine Amphibien und Säugetiere einschließen kann. Der Vater eines der Autoren war Teil einer Goldminenbaggeraktion, bei der in Alaska ein Wollmammutkalb (Spitzname Effie) ausgegraben wurde; dies waren die ersten mumifizierten Mammutreste, die in Nordamerika entdeckt wurden. Obwohl es vor etwa 21 300 Jahren begraben wurde, besteht es noch immer aus Gewebe und Haaren. Manchmal bleiben nur organische Reste zurück, die mit molekularbiochemischen Verfahren nachgewiesen werden können. Die ältesten Fossilien der Erde sind nur als komplexe organische Moleküle erhalten.
Weiches Gewebe ist schwer zu erhalten, da es in einer sauerstofffreien, energiearmen Sedimentationsumgebung vergraben sein muss, in der kein bakterieller Zerfall stattfinden kann. Da diese Bedingungen selten sind, kommt die Erhaltung von Weichgewebe nur selten vor. Häufige Beispiele für unveränderte Fossilien sind stattdessen Skelettmaterial, das ohne oder nur mit geringen Veränderungen erhalten wurde. Viele Fossilien von wirbellosen Meerestieren und Mikrofossilien wurden auf diese Weise erhalten. Paläontologen sehen sich Fossilien nun genauer an und beginnen, dünne Kohlenstoffschichten im Gestein um Fossilien herum als Weichgewebe zu erkennen. Kürzlich hat ein Team unter der Leitung von Mark Norell, Paläontologe am American Museum of Natural History in New York City, eine Kohlenstoffschicht um Dinosaurier-Embryonen entdeckt, die vor über 200 Millionen Jahren entstanden ist und von der sie glauben, dass es sich um eine weiche Eierschale handelt!
Unveränderte Fossilien enthalten Mineralien, die biologisch erzeugt wurden; dazu gehören Apatit (in Knochen und Zähnen und selten in Exoskeletten, Härte = 5), Kalzit (Kalziumkarbonat, das in vielen Organismen wie Schalen vorkommt, Härte = 3, zischt in Säure), Aragonit (ähnlich wie Kalzit, aber ein instabiles Polymorph) und Opal (eine Art von Kieselsäure, die in Meerestieren und -pflanzen vorkommt, Härte = 7). Die harten Teile (Exoskelett) einiger Insekten und Gliederfüßer bestehen aus Chitin, einem mit der Zellulose verwandten Polysaccharid. Wenn man also die in einem Fossil vorhandenen Mineralien identifizieren kann, kann man unterscheiden, ob es sich um ursprüngliches Material handelt oder ob es verändert wurde.
Die Veränderung von Hartteilen ist bei Fossilien viel häufiger und geschieht, wenn ursprüngliches Skelettmaterial entweder permineralisiert, rekristallisiert, ersetzt, verkohlt oder aufgelöst wird (Tabelle 6.1).
| Art der Erhaltung | Beispiel |
|---|---|
| Permineralisierung tritt in porösem Gewebe wie Knochen und Holz auf. Bei dieser Art der Konservierung dringen in Wasser gelöste Mineralien wie Quarz, Calcit oder Pyrit in den Porenraum ein und kristallisieren aus. Die Zugabe dieser Mineralien führt zu dichteren und haltbareren Fossilien. Das ursprüngliche Knochen- oder Holzmaterial kann erhalten bleiben, es kann aber auch ersetzt oder rekristallisiert werden |
 |
| Bei der Rekristallisation kommt es zu einer Veränderung der Kristallstruktur, aber nicht zu einer Veränderung der Mineralchemie, ähnlich wie bei der Rekristallisation in metamorphen Gesteinen. So verwandelt sich beispielsweise das Mineral Aragonit, das in vielen Muscheln vorkommt, manchmal in Kalzit, eine geologisch stabilere Form der gleichen chemischen Zusammensetzung, CaCO3 (auch bekannt als Polymorph). In der Regel unterscheiden sich Größe und Form eines rekristallisierten Fossils nicht wesentlich vom ursprünglichen, unveränderten Exemplar, aber feine Details können verloren gehen. |
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| Ersatz ist die Ersetzung des ursprünglichen Skelettmaterials durch ein sekundäres Mineral. So kann zum Beispiel das Kalzit einer Austernschale Molekül für Molekül durch Kieselsäure ersetzt werden. Bemerkenswerterweise kann das ersetzte Fossil einige der feinen zellulären Details des Originals beibehalten, obwohl sich seine Zusammensetzung geändert hat. Bei dieser Art der Fossilisierung ist der Porenraum nicht gefüllt und die Fossilien sind nicht so dicht. Die häufigsten Ersatzminerale sind Kieselsäure (Quarz), Pyrit, Dolomit und Hämatit. Die Ersetzung durch Pyrit führt zu einigen spektakulären Fossilien, insbesondere in Schwarzschiefern! |
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| Die Karbonisierung ist eine Art der Fossilerhaltung, bei der der Organismus als restlicher, dünner Film aus Kohlenstoff anstelle der ursprünglichen organischen Substanz erhalten bleibt. Blätter, Fische und Graptolithen werden in der Regel auf diese Weise konserviert. Die Komprimierung des ursprünglichen Organismus führt zu dünnen Kohlenstoffschichten. Die Karbonisierung kann auch zur Bildung von Kohle führen. |
 |
| Abdrücke und Abgüsse bilden sich, wenn sich das ursprüngliche Skelettmaterial auflöst. Der Organismus hinterlässt einen Abdruck im Sediment, der als Form bezeichnet wird, und wenn sich dieser Abdruck mit neuem Sediment füllt, entsteht ein Abguss. Abgüsse werden aus Formen hergestellt. |
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| Interne Abdrücke entstehen, wenn sich das Innere einer Schale mit Sediment füllt, bevor es sich auflöst; dies geschieht im Inneren von Muscheln, Schnecken oder Schädeln. Oft werden Abgüsse und Innenformen verwechselt, da beide ein positives Relief aufweisen. Interne Abgüsse bewahren eine dreidimensionale Form des Inneren des Organismus, während ein Abguss die Struktur des äußersten Teils des Organismus bewahrt. |
 |
Spurenfossilien, die wir in Kapitel 4 besprochen haben, sind keine wirklichen Fossilien, sondern der Beweis dafür, dass Organismen das Sediment durch Wühlen, Gehen oder sogar Hinterlassen von Exkrementen oder Erbrochenem beeinflusst haben. Diese Art von Spurenfossilien wird „Koprolith“ genannt, abgeleitet von dem griechischen Wort kopros, das Dung bedeutet. Eine letzte seltene Art von Spurenfossilien sind Gastrolithen, extrem glatt polierte Steine, die Tieren und Fossilien wie Dinosauriern und Krokodilen bei der Verdauung halfen. Sie sind stärker poliert als von Bächen abgenutzte Kiesel.
Dieses Modell zeigt rechts eine konservierte fossile Schale (kein Abguss, Original) und links eine äußere Form des ammonoiden Cephalopoden Gunnarites sp. aus der kreidezeitlichen Lopez de Bertodano-Formation von Snow Hill Island, Antarktis. Das fossile Exemplar stammt aus den Sammlungen der Paleontological Research Institution, Ithaca, New York. Der Durchmesser des Exemplars (ohne das umgebende Gestein) beträgt etwa 9 cm.
Cephalopode: Gunnarites sp. (PRI 61543)
von Digital Atlas of Ancient Life
auf Sketchfab
Dies ist ein Beispiel für einen inneren (1) und äußeren (2) Abdruck des Schneckenfisches Cassidaria mirabilis aus der Kreidezeit von Snow Hill Island, Antarktis. Das Exemplar stammt aus den Sammlungen der Paleontological Research Institution, Ithaca, New York, und ist etwa 6 cm lang (ohne das umgebende Gestein).
Schnecke: Cassidaria mirabilis (PRI 58468)
von Digital Atlas of Ancient Life
auf Sketchfab
Weitere 3-D-Modelle zur Fossilerhaltung finden Sie auf dem Digital Atlas of Ancient Life.
Wenn Sie jemals von einem Freund gebeten werden, bei der Identifizierung eines Fossils zu helfen, achten Sie auf Pseudofossilien, Unfälle der Diagenese, die wie ein Fossil aussehen, aber nur seltsame Sedimentformationen sind, wie z. B. Septarienknollen, die fälschlicherweise für Reptilienhaut oder Schildkrötenpanzer gehalten werden, Konkretionen, die fälschlicherweise für Eier gehalten werden, und Manganoxiddendriten, die fälschlicherweise für Farne oder Moos gehalten werden.
6.3 Umgang mit Fossilien
Wenn Sie dieses Praktikum in einer persönlichen Unterrichtsumgebung absolvieren, werden Sie in der Lage sein, sowohl echte als auch nachgebildete Fossilien zu handhaben. Auch wenn diese Fossilien schon Millionen oder Milliarden von Jahren alt sind und aussehen, als wären sie nur noch Felsen, müssen sie mit Respekt behandelt werden. Einige der Fossilien, die du in die Hand nimmst, sind vielleicht die einzigen ihrer Art in der Sammlung.
Wenn du dich gefragt hast, wie du deine eigene Fossiliensammlung anlegen kannst, kannst du entweder anfangen, deine eigenen zu suchen oder sie zu kaufen. Die Preise für Fossilien, die zum Verkauf stehen, reichen von billig bis unverschämt teuer. Im Jahr 2020 kaufte ein anonymer Sammler einen fossilen Tyrannosaurus rex, der den Spitznamen Stan trug, für 31,85 Millionen Dollar. Dieses Exemplar hatte nur 188 Knochen und war eines der vollständigsten seiner Art. Man kann auch preiswerte Fossilien wie versteinerte Schnecken aus Marokko für nur 0,30 Dollar pro Stück finden.
Einige Fossilien sind extrem zerbrechlich. Einige empfindliche Proben werden durch Abschleifen mit Talkumpuder präpariert, um die Matrix zu entfernen. Bei einigen Trilobiten dauert dies Tausende von Stunden, um ihre empfindlichen Merkmale freizulegen.
Einige Fossilien, die Sie verwenden werden, sind vielleicht leicht zu ersetzen, andere unmöglich. Andere können Teil der persönlichen Sammlung eines Fakultätsmitglieds sein. Hantieren Sie nur mit den Exemplaren, die Ihr TA Ihnen erlaubt.
Die Fossilien stehen Ihnen nur während der Laborsitzung zur Verfügung. Während der jüngsten Pandemie wurden viele ähnliche Exemplare als Web-Bilder gesammelt, zu denen Ihnen Ihr TA einen Link geben wird.
Es steht Ihnen frei, Skizzen zu machen oder die Exemplare zu fotografieren. Wenn Sie dies tun, sollten Sie einen Maßstab in das Bild einfügen, z. B. eine Münze oder ein Lineal. So kannst du dir die Größe des Objekts besser merken.
Einige der Exemplare werden mit Etiketten oder Nummern versehen sein, andere nicht, da sie vielleicht zu zerbrechlich sind, um beschriftet zu werden. Es ist wichtig, dass du jedes Exemplar wieder in die richtige Schachtel oder in ein Labortablett legst. Entfernen Sie auch keine der Papieretiketten aus den Kisten. Dadurch wird eine Verwechslung mit anderen Laborteilnehmern vermieden.
Einige der größeren Exemplare können schwer sein, insbesondere solche, die mit Sediment gefüllt sind. Versuchen Sie niemals, die Proben zu zerkratzen, um ihre Härte zu bestimmen. Verwenden Sie auch niemals Säure als Mineralientest.
Wenn Sie eine Probe zerbrechen oder stehlen, müssen Sie für den Ersatz aufkommen.
Untersuchen Sie den ersten Probensatz und füllen Sie die Tabelle mit Informationen über das Vorhandensein von ursprünglichem biologischem Material, positivem und negativem Relief und der mineralischen Zusammensetzung der Proben aus. Bestimmen Sie die Art der Erhaltung der Fossilien. Verwenden Sie dazu das Flussdiagramm in Abbildung 6.10.
| Probe | Originalmaterial vorhanden? | Konservierung* | Mineralzusammensetzung* | Art der Konservierung |
|---|---|---|---|---|
*Beachten Sie, dass Sie möglicherweise kein Relief sehen oder das Mineral identifizieren können. Lassen Sie diese gegebenenfalls frei.
Kritisches Denken: Warum ist die Ersetzung die häufigste Art der Erhaltung?
Die Art und Weise, wie ein Organismus versteinert werden kann, hängt von vielen Dingen ab. Hier sind einige Beispiele, über die du nachdenken kannst.
- Untersuche eine äußere Form in deiner Fossiliensammlung. Diese bewahren häufig Details wie die Adern in Blättern oder Schuppen von Fischen.
- Was ist die Korngröße des umgebenden Gesteins? ____________________
- Denkst du, dass diese Abdrücke in grobkörnigem Sediment erhalten sein könnten?
- Sieh dir einige Beispiele für Verkohlung an. In diesen Fällen ist die dunkle Materie der Rest von organischem Kohlenstoff, der nie oxidiert wurde (zerfallen ist). Unter welchen Bedingungen kann diese Art der Konservierung auftreten?
- Ihre Fossiliensammlung könnte Graptolithen enthalten, einen ausgestorbenen planktonischen, kolonialen Organismus, der einen organischen Panzer aus Chitin absondern konnte, ähnlich wie Ihre Zellulose. Diese Kolonien sind in der Regel als zweidimensionale Abdrücke erhalten, die fast immer schwarz sind (was auf die Karbonisierung des Chitins hinweist).
- Welche Gesteinsarten eignen sich am besten, um Graptolithen zu finden?
- Welche Bedingungen herrschten bei der Bestattung?
- Welche Gesteinsarten eignen sich am besten, um Graptolithen zu finden?
- Einige Knochen und Zähne können erhalten sein, wie zum Beispiel unveränderte Knochen oder Haifischzähne.
- Wie würden Sie diese von permineralisierten fossilen Knochen unterscheiden?
- Kann permineralisiertes Holz Glas zerkratzen?
- Wie würden Sie diese von permineralisierten fossilen Knochen unterscheiden?
- Betrachten Sie nun die große Bandbreite an Sedimentumgebungen.
- Welche Sedimentumgebungen sind für die Erhaltung von Fossilien nicht geeignet?
- Welche Sedimentumgebungen eignen sich gut für die Erhaltung von Fossilien?
- Welche Ablagerungsumgebungen innerhalb kontinentaler und mariner Umgebungen eignen sich am besten für die Erhaltung von Fossilien? Erklären Sie.
- Können Vulkanausbrüche Fossilien bewahren? Erkläre.
- Wie kann die Energie der sedimentären Umgebung die Erhaltung von Fossilien beeinflussen?
- Kann man Fossilien in metamorphem Gestein finden? Wenn ja, welche Faktoren begünstigen ihre Erhaltung?
- Welche Sedimentumgebungen sind für die Erhaltung von Fossilien nicht geeignet?
- Kritisches Denken: In dieser Laborübung gibt es mehr Wirbellose als Wirbeltierfossilien. Erkläre, warum das so ist.
Während des Perms, vor 299 bis 252 Millionen Jahren, wuchs im Westen von Texas ein ausgedehntes Riffsystem am Rande eines kleinen marinen Binnenbeckens, das sich über 26.000 km² (10.000 Quadratmeilen) erstreckte. Heute heißt es Delaware-Becken und beherbergt ein großes Ölfeld (Abbildung 6.11). Das Riff ist heute in drei Gebirgszügen zu sehen: Apache, Guadalupe und Glass Mountains. Andernorts ist das Riff nun um den gesamten Rand des Beckens herum begraben.
Im Gegensatz zu modernen Korallenriffen wie dem Great Barrier Reef in Australien oder den Riffen vor der Küste von Florida und Belize bestand es aus Schwämmen, Algen und spitzenartigen Tieren, den Bryozoen. Ein wunderschönes Exemplar dieses Riffs ist El Capitan im Guadalupe Mountains National Park. Das Riff ist in drei Teile unterteilt: Hinteres Riff, Riff und Vorderes Riff. Jeder Teil hat sein eigenes, einzigartiges Ökosystem sowie seine eigene Lithologie und Erhaltung. Der tiefe Teil dieses Beckens erreicht eine Tiefe von fast 800 Metern (½ Meile) und ist der Ort, an dem sich viel organisches Material ablagerte und schwarze Schiefer hinterließ – die Quelle des Erdöls.
Das Delaware-Binnenmeer hatte einen schmalen Ausgang zum Panthalassan-Ozean, ähnlich wie heute das Schwarze Meer. Nach etwa 30 Millionen Jahren wurde der Eingang verengt, und das Becken begann auszutrocknen, wobei sich umfangreiche Evaporitablagerungen bildeten (Castille- und Salado-Formationen). Dadurch entstanden übersättigte, saure Salzlösungen, die das darunter liegende Karbonatriff aufzulösen begannen und ausgedehnte Höhlen und Karstgebiete bildeten, die man heute im Carlsbad Caverns National Park und in der Lechuguilla-Höhle besichtigen kann – der achtlängsten erforschten Höhle der Welt mit einer Länge von 220 km oder 138 Meilen. Diese Solen lösten auch die kieselsäurereichen Schwämme auf, die das Riff bildeten, und beeinflussten die Fossilerhaltung in Teilen dieses permischen Riffsystems.
Die Stratigraphie dieses Beckens ist kompliziert, da sie nicht nur mit der Zeit, sondern auch mit der Position im Riff variiert. Nach neueren sequenzstratigraphischen Analysen gab es in diesem Becken bis zu sechs transgressive bis regressive Abfolgen (Kerans und Kempter, 2002). Abbildung 6.13 zeigt eine vereinfachte Stratigraphie für das Becken während des Perms.
Fossilien in der Capitan-Formation der Glass Mountains sind einzigartig erhalten (siehe Abbildung 6.4). Paläontologen fanden heraus, dass es leicht ist, das Wirtskarbonat in schwacher Säure aufzulösen und spektakuläre Exemplare zu hinterlassen.
- Das Mineral in diesen Fossilien ist härter als Glas und zischt nicht, da es sich nicht mehr um ein Karbonat handelt. Manchmal ist dieses Mineral nur ein Überzug und manchmal besteht das gesamte Fossil aus diesem neuen Mineral.
- Was ist das Mineral? ____________________
- Wie sind diese Fossilien erhalten? ____________________
- Waren Flüssigkeiten an ihrer Erhaltung beteiligt? Wenn ja, wie war ihre Zusammensetzung?
- Warum glauben Sie, dass diese Art der Erhaltung in dieser einen stratigraphischen Einheit zu finden ist?
- In welchem Teil des Riffs wurden diese Fossilien gefunden? Hinteres Riff, Riff, Vorriff oder Becken? ____________________
- Andernorts in der Skinner Ranch Formation der Glass Mountains wurden Fossilien gefunden, darunter dieser erstaunliche Sägezahnwirbel eines ausgestorbenen haifischähnlichen Lebewesens namens Helicoprion.
- In welcher Art von Sediment wurde dieses Fossil gefunden? ____________________
- Was ist die Erhaltungsform dieses Fossils? ____________________
- Wo im Riff hat Helicoprion gelebt? Im hinteren Riff, im Riff, im vorderen Riff oder im Becken? ____________________
- In den Guadalupe Mountains findet man dicke Karbonatschichten mit vielen Fossilien wie diesen:
- Was ist das Mineral? ____________________
- Welche Erhaltungsform haben diese Fossilien? ____________________
- Waren Flüssigkeiten an ihrer Erhaltung beteiligt? Wenn ja, wie war ihre Zusammensetzung?
- Warum glauben Sie, dass diese Art der Erhaltung in dieser einen stratigraphischen Einheit zu finden ist?
- In welchem Teil des Riffs wurden diese Fossilien gefunden? Hinteres Riff, Riff, Vorriff oder Becken? ____________________
- Kritisches Denken: Fassen Sie Ihre Beobachtungen über die Art der Erhaltung in verschiedenen Teilen des permischen Riffsystems zusammen. Können Sie erklären, warum die Erhaltungsformen rund um das alte Riff gleich oder unterschiedlich sind?
Casella, L.A., Griesshaber, E., Yin, X., Ziegler, A., Mavromatis, V., Müller, D., Ritter, A.-C., Hippler, D., HarperE.M/, Dietzel, M., Immenhauser, A., Schöne, B.R., Angiolini, L., and Schmahl, W.W., 2017, Biogeosciences, 14, 1461-1492, doi:10.5194/bg-14-1461-2017.
Kerans, C., and Kempter, K., 2002, Hierarchical stratigraphic analysis of a carbonate platform, Permian of the Guadalupe Mountains: The University of Texas at Austin, Bureau of Economic Geology (American Association of Petroleum Geologists/Datapages Discovery Series No. 5), CD-ROM.
Norell, M.A., Weimann, J., Fabbri, M., Yu, C., Marsicano, C.A., Moore-Nall, A., Varricchio, D.J., Pol, D., und Zelinitsky, D.A., 2020, The first dinosaur egg was soft. Nature, 583, 406-410, Published online June 17, 2020. doi: 10.1038/s41586-020-2412-8
Ritter, S., and Peterson, M., 2015, Interpreting Earth History: A Manual in Historical Geology, Eighth Edition, Waveland Press Inc, 291 pp.
ein Tier ohne Rückgrat wie eine Muschel oder ein Wurm
ein Tier mit Rückgrat wie ein Hund oder eine Katze
ein geologischer Zeitraum, der sich über 47 Millionen Jahre am Ende des Paläozoikums erstreckt, vom Ende des Karbon (298.9 Ma) bis zum Beginn des Mesozoikums mit der Trias (251,902 Ma)
Multizellulare Organismen mit einem Körper voller Poren, durch die Wasser zirkulieren kann. Sie bestehen aus Kollagen und haben zum Teil kieselsäurereiche Spicula.
eine Art von wirbellosen Wassertieren. Sie sind Filtrierer, die mit Tentakeln Nahrungspartikel aus dem Wasser ziehen.
ein Superozean, der den gesamten Superkontinent Pangea umgab
eine Art von Sediment, das aus wasserlöslichen Mineralien besteht, die sich nach der Konzentration und Kristallisation durch Verdunstung aus einer wässrigen Lösung abgesetzt haben