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Martin Bäker ist Physiker.
Er hat in Hamburg studiert und über die Simulation von Elementarteilchenprozessen promoviert. Seit 1996 erforscht er an der TU Braunschweig das mechanische Verhalten moderner Werkstoffe.
Wie Cäsar über sich in der dritten Person zu schreiben, findet er ein wenig seltsam.
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02.11.11 · 20:01 Uhr
Sauerstoff als Zeitmaschine: Die Wanderung der Saurier
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 21
Einer der faszinierendsten Aspekte der Erforschung von Dinosauriern ist, dass es oft sehr interdisziplinär zugeht. Kombiniert man Kernphysik, Thermodynamik, Klimatologie, Geologie, Chemie, Physiologie, Entwicklungsbiologie und Paläontologie, kann man sogar etwas über das Verhalten der Dinos herausfinden.
Wer groß ist, muss auch viel essen. Elefanten futtern etwa 150kg oder mehr am Tag (je nach Kaloriengehalt). Die großen Dinosaurier des Erdmittelalters, die noch deutlich schwerer waren, hatten sicherlich einen wesentlich höheren Bedarf - wie hoch genau hängt von ihrem Stoffwechsel ab, aber man geht heutzutage schon davon aus, dass der Nahrungsbedarf eher dem von Säugetieren als von Reptilien nahekommt.
Hier mal als Beispiel ein Camarasaurus, ein typischer Vertreter der Sauropoden und im oberen Jura von Nordamerika ein ziemlich häufiger Geselle:
Vermutlich lebten diese Saurier in Herden, was den Nahrungsbedarf entsprechend steigert. Man kann sich also vorstellen, wie Herden von Camarasauriern so wie die heutigen Gnus durch die Flussauen (floodplains) zogen und alles futterten, was halbwegs grün war.
Da gibt es nur ein klitzekleines Problem: Das Klima in den Flussauen der Morrison-Formation im nordamerikanischen Oberjura hatte jahreszeitliche Trockenphasen. Während der Trockenheit dürfte es für große Sauropoden ziemlich schwierig gewesen sein, genügend Wasser und Nahrung zu finden, vor allem, wenn sie auch noch in Herden lebten.
Die Vermutung liegt natürlich nahe, dass sie das Problem auf die gleiche Weise gelöst haben wie viele heutige Tiere: Durch Wanderungen.
Schön, spekulieren kann man viel, aber ohne eine Zeitmaschine wird man das kaum belegen können, oder?
Eine solche Zeitmaschine haben amerikanische PaläontologInnen jetzt erfunden, oder besser gesagt, gefunden. Nein, nicht so eine:
sondern so eine:
Was ihr hier seht ist ein Wassermolekül. Wasser besteht bekanntlich aus zwei Wasserstoffatomen (deswegen heißt es ja auch "Wasser"...) und einem Sauerstoffatom (was eigentlich komisch ist, weil Wasser ja gar nicht sauer ist), die chemische Formel ist bekanntlich H2O.
Nicht alle Sauerstoffatome sind aber gleich, einige sind gleicher schwerer als andere. Sauerstoff gibt es in verschiedenen Varianten, so genannten Isotopen. Die unterscheiden sich chemisch nicht, sondern nur in der Zahl der Neutronen im Atomkern. Im handelsüblichen Sauerstoff kommt auf jedes der 8 Protonen im Atomkern ein Neutron, macht insgesamt 16 Kernbausteine. Deswegen nennt man dieses Isotop auch Sauerstoff-16, oder kurz 16O.
Es gibt aber auch eine Variante mit zwei "überzähligen" Neutronen, Sauerstoff-18 oder 18O. (Die dritte Variante 17O interessiert uns hier nicht.) Diese ist, wie gesagt, chemisch identisch, nur wegen der beiden Extra-Neutronen etwas schwerer.
Einem Wassermolekül ist es ziemlich egal, ob es ein 16O oder ein 18O enthält - solange die beiden Wasserstoffatome einen Sauerstoffpartner haben, sind sie zufrieden.
Physikalisch allerdings unterscheidet sich ein Wassermolekül mit 16O von einem mit 18O, weil das mit dem 18O so etwa 10% schwerer ist. Und das macht sich manchmal bemerkbar, beispielsweise, wenn Wasser verdunstet. Die "leichtere" Wasservariante verdunstet etwas schneller. Misst man das Verhältnis der beiden Sauerstoffisotope im Wasser, kann man deshalb Rückschlüsse auf die Temperatur ziehen. Das macht man beispielsweise mit Eisbohrkernen aus arktischen Regionen, um das Klima in der Vergangenheit zu erforschen.
Eis aus dem Jura haben wir aber nicht - was sollen uns also die Isotope im Wasser nützen? Nun, wir haben zwar kein Eis, aber wir haben etwas, das fast so gut ist: Kalziumkarbonat. Kohlendioxid (CO2) kann in Wasser gelöst werden und Kalziumkarbonat CaCO3 bilden - eins der drei Sauerstoffmoleküle im Kalziumkarbonat kommt dabei aus dem Wasser.
Anhand von Kalziumkarbonat in Sedimentgesteinen aus der Morrisonformation kann man also etwas über das damalige Verhältnis der Sauerstoffisotope und damit über die dortige Temperatur herausfinden.
Aber wie hilft uns das nun bei der Saurierwanderung?
Saurier müssen - wie die meisten Tiere - auch Wasser trinken. Und die Sauerstoffatome des Wassers werden dabei in ihren Körper eingebaut, beispielsweise in die Zähne. Schaut man sich also das Verhältnis von 16O und 18O in den Saurierzähnen an, so kann man auch daraus etwas über das Klima lernen, in dem sie gelebt haben. Und wenn die Saurier in der Morrison-Formation gelebt haben, dann sollte das Verhältnis dem Verhältnis entsprechen, das wir in den Sedimenten finden.
Raffiniert, oder? Die Raffinesse geht aber noch weiter. Zähne wachsen ja recht langsam. Der Sauerstoff im Zahnschmelz spiegelt deshalb sozusagen die Geschichte des Dinosauriers wieder - in den "neueren" Bereichen des Zahns findet sich das Verhältnis, das kurz vorm Tod des Dinos aktuell war, in den älteren Bereichen des Zahns dagegen das Verhältnis, dem er einige Monate vor seinem Tod ausgesetzt war. (Anders als bei uns wachsen Saurierzähne ja immer wieder nach - jahrzehntealte Zähne wird man deshalb in einem Sauriermaul nicht finden.)
Hier eine Skizze (aus dem paper) eines Sauropodenzahns:
Links seht ihr die Krone, rechts die Wurzel. Falls ihr euch wundert, dass die Zahnkrone den ältesten Zahnschmelz enthalten soll und die Wurzel den jüngsten: Das ist bei Zähnen so. Die wachsen ausgehend von der Stelle, die später mal die Spitze des Zahns werden soll. Diese Grafik hier zeigt das sehr schön für einen menschlichen Zahn
Ihr seht, dass die Stelle, die später die Krone wird, als erste da ist, die Wurzel wird als letztes angebaut. Die weiteren Details erspare ich uns hier - wenn ihr dem Link oben folgt, könnt ihr euch über Zahnentwicklung schlaulesen.
Man muss sich also das Verhältnis der Sauerstoffisotope an unterschiedlichen Stellen des Saurierzahns angucken und kann daraus Rückschlüsse darauf ziehen, welche Wassertemperatur im Trinkwasser so etwa geherrscht hat, als er diesen Teil des Zahns aufgebaut hat.
Und das hier kommt dabei raus (für unterschiedliche Zähne desselben Dinos):
Der älteste Teil (die Krone) des Zahns ist links im Bild, jüngere Teile rechts. Man erkennt deutlich, dass das Isotopenverhältnis sich ändert - 4-5 Monate vor seinem Tod wohnte der Camarasaurus noch in der Niederung, aber in den letzten Monaten hat sich das Verhältnis deutlich verschoben, was darauf hindeutet, dass er im einige Hundert Kilometer entfernten Hochland gelebt hat. (Die entsprechenden Gesteine aus den umliegenden Gegenden wurden auch untersucht und das gemessene Verhältnis passt gut zu den Hochlandregionen.)
Auf den ersten Blick überraschend ist, dass der untersuchte Zahn in der Morrison-Formation selbst gefunden wurde. Sollte dann nicht der gerade abgelagerte Teil des Zahns das hierzu passende Isotopenverhältnis haben, die Kurve also ganz rechts wieder nach oben gehen?
Nicht notwendigerweise. Zähne wachsen ja, wie gesagt, langsam. Es gibt eine Zeitverzögerung zwischen einer Änderung des Isotopenverhältnisses in der Nahrung und deren Entsprechung im Zahn. Die kennt man für Sauropoden natürlich nicht (dafür bräuchte man dann wohl doch den Delorean), aber bei heutigen Säugetieren beträgt sie einige Wochen. Wesentlich länger kann sie auch beim Camarasaurus nicht gewesen sein - wären es Monate, dann würde diese Verzögerung das Isotopensignal vollkommen verschmieren und unkenntlich machen. Es ist also zumindest plausibel, anzunehmen, dass der untersuchte Camarasaurus wenige Wochen vor seinem Tod noch im Hochland lebte und sich dann wieder in die Flussauen aufmachte, wo er dann umkam.
Seine Zähne und ziemlich viel wissenschaftliches Geschick verraten aber nach über 140 Millionen Jahren noch, wo er herumgetrieben hat.
Fricke, H., Hencecroth, J., & Hoerner, M. (2011). Lowland-upland migration of sauropod dinosaurs during the Late Jurassic epoch Nature DOI: 10.1038/nature10570
Autor: MartinB· 21 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (21)
Wie ist das denn eigentlich bei den dauernachwachsenden Zähnen mit dem Dentin? Wurde das auch wie beim Menschen stets erneuert oder wurden Saurierzähne nur einmal gebildet, bis sie dann rausfielen und nachwuchsen?
Außerdem wüsste ich noch gerne, wie das natürliche Verhältnis zwischen 16-O und 18-O ist...
xxx
@WolfgangK
Laut Wiki ist Sauerstoff zu 99.762% O-16.
Was das Dentin angeht - ist das wirklich so, dass sich das echt erneuert? In den Röhrchen des Dentins sind doch nur Odontoblastenfortsätze, keine Odontoblasten mehr.
"Im Gegensatz zum Zahnschmelz kann es (Dentin) lebenslang durch einen Prozess der Biomineralisation neu gebildet werden, allerdings nur an der Grenzfläche zum Zahnmark."
http://de.wikipedia.org/wiki/Dentin
@Jürgen
Aha, danke. Ja, das passt zu dem, was ich wusste.
Soweit ich es verstehe, kann aber auch Zahnschmelz nachmineralisieren, was ja auch ein Grund für Fluor in Zahncremes ist (verschiebt das Hydroxyapatit-Lösungsgleichgewicht).
Was man in Wiki so alles nachlesen kann...
Entschuldigung der ungenauen Begrifflichkeit. Mein Zahnarzt sprach natürlich auch von Dentin-Neubildung, nicht von Erneuerung.
Haifischzähne gehören ja auch zu den nachwachsenden Zähnen, wären die in etwa mit Saurierzähnen vergleichbar?
@Martin
Gern geschehen.
Soweit ich weiß, gibt wikipedia auch den gegenwärtigen Kenntnisstand zur Mineralisierung des Zahnschmelzes richtig wieder:
"Zahnschmelz ist nicht von Nerven durchzogen und kann nicht nachgebildet werden. Eine Schmelzkaries kann durch Ernährungslenkung und häufige Gabe niedrig dosierter Fluoride (die sogenannte Fluoridierung) wieder remineralisiert werden, dabei werden die Hydroxidionen im Apatit durch das Fluorid zu Fluorapatit) ersetzt."
http://de.wikipedia.org/wiki/Zahnschmelz
@Martin
Schoener Artikel. Was ich ja eigentlich so treibe in meinem Leben, sind ja die Sauerstoffisotope und ihre Physik. Die Absolutwerte des d18O sind sehr niedrig im Vergleich zu Wasser oder Nahrung, sogar sehr sehr niedrig fuer subtropische/tropische Klimate. Daraus schliesse ich mal, dass es enorme Vitaleffekte bei der Zahnbildung gibt. Es wurde schon haeufig nachgewiesen, dass solche Vitaleffekte ph-, alters- ja sogar geschlechtsabhaengig sein koennen. Wie sieht es mit Temperatureffekten aus? Karbonat etwa fraktioniert die beiden Isotope mit 0.22‰ pro °C und Saurier waren doch keine Warmblueter oder? Steht irgendwo im Artikel die Paleo Latitude und Longitude? Ich kanns nicht finden.
@Jürgen, Wolfgang
Das passt alles zu meinem Weltbild, so erzähl ich es auch in der Vorlesung. Gut dass ich keinen Mist erzähle.
@Georg
Das sind ja Morrison-Formation und Thermopolis, die Paläo-Koordinaten gibt's sicher irgendwo. Über Temperatureffekte u.ä. stand einiges in dem Artikel (und wohl noch mehr im supplement), aber da ich da kein Durchblicker bin, habe ich das nicht so genau gelesen.
Was die Absolutwerte angeht, zeigt Fig. 1 im paper ja, dass die im Zahn etwa drei Größenordnungen kleiner sind als in den Geoproben
Zitat aus dem paper dazu:
Details gibt's also wohl im supplement
Hmm, jetzt weiss ich immer noch nicht, ob Saurierzähne vom Aufbau her mit Haifischzähnen vergleichbar sind....
@WolfgangK
Oh, entschuldigung, ich hatte vorhin alles mögliche um die Ohren und dann die Frage vergessen. Haizähne sind strukturell und embryologisch eher den Schuppen verwandt (Haie haben ja auch diese raue Haifischhaut).
Haizähne werden über einen schicken "Fließbandmechanismus ständig erneuert, der unterscheidet sich von dem der Saurier ziemlich deutlich,
zeigen die Bilder in dem Link hier sehr schön.
http://www.haiwelt.de/haie/biologie/zaehne/zaehne.php
Deswegen sieht man bei einem Haimaul auch immer mehrere Zahnreihen hintereinander, die klappen sich sozusagen beim Wachsen immer weiter herum.
Mit Zähnen von Sauriern oder Säugetieren sind sie also eher nicht vergleichbar. Nachwachsende Zähne sind ja eigentlich der Normallfall, nur die Säuger machen da eine Ausnahme, weil sie perfekt aufeinander passende Zähne zum Kauen entwickelt haben, da können nicht ständig welche nachwachsen. (Und das geht vermutlich nur, weil sie als Junge keine Zähne brauchen, weil's ja Milch gibt.)
@MartinB
Danke, aber jetzt muss ich nochmal nachfragen, weil es mir darum ging, etwas über den Aufbau eines Saurierzahns zu erfahren. Soweit ich das mitbekommen habe, gibt es zwei Saurier-Arten. Die müssten eigentlich auch unterschiedliche Zahnaufbauten haben, oder? Bei der Frage nach dem Vergleich ging es mir eher darum, einen Zahn zu finden, der dem der Saurier ähnlich ist, um mich mal mit dem Aufbau auseinandersetzen zu können (seit ich mit mich meinem befreundeten Zahnarzt über einen Deiner Artikel unterhalten habe, hat er mir einige interessante Einblicke in die "Zahnwelt" vermittelt...). Im Internet habe ich nichts darüber gefunden.
Übrigens: das mit den "Fließbandzähnen" bei Haifischen kannte ich noch gar nicht - die wechseln ja alle 8-15 Tage. Fantastisch, was die Natur sich alles einfallen lässt.
@Georg
"Saurier waren doch keine Warmblueter oder? " Vielleicht doch zumindest teilweise:
http://idw-online.de/pages/de/news429647
http://www.sciencemag.org/content/333/6041/443
@WolfgangK
"Soweit ich das mitbekommen habe, gibt es zwei Saurier-Arten."
*Arten* gibt es ziemlich viele - da ist die Zählung unklar. Gattungen gibt es etwa 800, von denen man weiß.
Was du vermutlich meinst, sind die zwei großen Gruppen Ornithischia/Saurischia.
Soweit ich weiß unterscheidet sich die mikroskopische Zahnstruktur bei denen nicht so dramatisch voneinander (alle haben Dentin/Zahnschmelz, auch wenn die Schmelzmuster nicht identisch sind, aber das ist bei Säugetieren auch so), makroskopisch sind die Zähne natürlich aber schon sehr unterschiedlich.
Zur Mikrostruktur steht hier etwas:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jmor.10372/abstract
Das paper sieht interessant aus, das werd ich mir mal angucken (ob es blogbar ist,w eiß ich nicht...)
Du brauchst also eigentlich keinen "ähnlichen" Zahn zu suchen, Sauerierzähne kann man direkt untersuchen.
@MartinB
"Was du vermutlich meinst, sind die zwei großen Gruppen Ornithischia/Saurischia."
Okok, ab heute werde ich mich um genauere Ausdrucksweise bemühen. Ja, ich meinte diese zwei Gruppen...
"Das paper sieht interessant aus, das werd ich mir mal angucken (ob es blogbar ist,w eiß ich nicht...)"
Das paper sieht für mich nach mindestens drei getöteten Wochenenden aus. Fachsprech und auf English! (Oh heiliges Spaghettimonster, lass es blogbar sein...)
Tz, jetzt interessiere ich mich auch noch für Saurier und deren Gebisse... Du bist schuld! ;-)
"Du bist schuld! ;-)"
Muhaha, irgendwann krieg ich euch alle...
um in die ganze lobhudelei einzustimmen:
wie schaffst du es texte zu schreiben bei denen du dich am ende nicht fragst: "joar ist ja schön und gut, aber warum sollte das irgendwen interessieren?"
@perk
Es interessiert *mich*, reicht das nicht?
Und ist nicht, wenn man tief genug einsteigt, jedes Thema interessant (o.k., ich mach ne Ausnahme für Fußball)?
Und ist "Sauerstoff als zeitmaschine" nicht als Titel ausreichend, damit hier Leute klicken und ich die Millionen an Honorar-Euros einstreiche?
Etwas ernsthafter: Ich finde gerade solchen Schnittstellenthemen, wo Physik, Biologie usw. zusammenlaufen, faszinierend - wie man mit hinreichend viel Scharfsinn noch solche Dinge herausbekommen kann. Das sieht man doch auch anderswo, z.B. bei Florian, wo man immer wieder staunt, was Astronomen aus ein bisschen Licht alles lernen können. Und bei solchen Themen ist für mich die Befriedigung auch groß, wenn ich verstanden habe, wie die einzelnen Argumente ineinandergreifen. Ob die Camarasaurier nun wandern oder nicht ist vielleicht weniger interessant als nachzuvollziehen, wie man das tatsächlich rausbekommen kann.
@perk
...außerdem hat Martin da so feinfühlige Blog-Mitarbeiter, um das Interesse bei den Lesern zu wecken...
hm ich fragte vor allem weil du mir vor über nem jahr mal nen gastbeitrag angeboten hattest und ich auch tatsächlich angefangen hatte den zu schreiben, vom hundersten ins tausendste kam (eine ganze serie wurde daraus) und ich mich nach jedem absatz fragte: hm ergibt sinn aber wo bleibt das "aha" erlebnis?
nun lese ich deine texte und wenn ich objektiv versuche ran zu gehen, habe ich kein größeres aha-erlebnis als bei meinen eigenen texten aber hier stört es mich kein bisschen
@perk
Vielleicht bist du einfach zu selbstkritisch? Ist ja immer was anderes, das eigene geschreibe zu lesen, weil man alles schon kennt. Kannst mir gern mal nen Text vorbeimailen, wenn dich meine Meinung interessiert.