Warmblütigkeit bei Säugetieren: Die Isotopenspur

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Ein gewissermaßen „heißes“ Forschungsthema ist bis heute der Ursprung der sogenannten „Warmblütigkeit“ bei Säugetieren und Vögeln. Während sich die Erforschung dieser Frage bei Vögeln überwiegend auf die Dinosaurier konzentriert, wird die Antwort darauf bei den Säugetieren in den Reihen der sogenannten „säugetierähnlichen Reptilien“ gesucht, die man fachlich korrekter als basale Synapsiden bezeichnen sollte. Der Nachweis von beginnender Warmblütigkeit ist aber gar nicht so einfach. Nach vielen Indizien wurde schon gefahndet, jetzt versucht sich eine französisch-südafrikanisch-chinesische Forschergruppe in einem neuen Paper an einem neuen Ansatz: Durch die Messung des Verhältnisses von Sauerstoffisotopen in Knochen und Zähnen.

Hintergrund. Fachlich korrekt wird „Warmblütigkeit“ eigentlich als Endothermie bezeichnet, die mit sogenannter Homöothermie einhergeht. Dies bedeutet, dass der Organismus seine Temperatur aus eigenem Vermögen (also von „innen heraus“) stabil aufrechterhalten kann – sie bleibt im Wesentlichen gleich, unabhängig von der Umgebungstemperatur. In Reinform sind dazu heute nur Vögel und Säugetiere fähig. Dies erfordert aber bestimmte physiologische Voraussetzungen und geht mit zahlreichen Zusatzanpassungen einher – zum Beispiel Federn oder Fell, die den Körper gegen unnötigen Energieverlust isolieren, denn eine solche Endotherme erfordert einen hohen Energieeinsatz.

Fossil lässt sich Endothermie leider im Grunde nur indirekt nachweisen. Als Indizien können zum Beispiel direkter oder indirekte Nachweise für Fell oder Federn dienen oder auch knochenhistologische Befunde.  Letztere können aber zweideutig sein, erstere sind nur in seltenen Fällen besonders guter Erhaltung möglich. Auch ein aufrechter Gang oder andere Indizien für eine energieintensive Lebensweise wurden schon als Hinweise auf Endothermie gehandelt. Das Forschungsteam um Kévin Rey versuchte sich nun an einem neuen möglichen Indiz für Endothermie: Das Verhältnis der Sauerstoffisotope 16 und 18 zueinander. Der Organismus nimmt Sauerstoff aus der Umgebung auf und baut ihn in den Knochen und Zähnen unter anderem als Bestandteil von Phosphat ein. Das Phosphat gehört zu den chemischen Bestandteilen der Knochen und Zähne, die am meisten der Diagenese widerstehen, wodurch das im Phosphat vorliegende Verhältnis der beiden Sauerstoffisotope bei halbwegs guter Erhaltung überliefert werden kann. Dieses Isotopenverhältnis wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst: Von den Umweltbedingungen im Lebensraum des Organismus, aber auch tatsächlich von der eigenen Körpertemperatur. Der Grundgedanke von Reys Forschungsgruppe: Wenn man die Sauerstoff-18-Werte von fossilen Knochen, die der selben Fundlokalität entstammen, misst und direkt miteinander vergleicht, kann man aufgrund der Abweichungen feststellen, welche Tiere wahrscheinlich warmblütig waren!

Therapsidenphylo

DIese Darstellung zeigt die derzeit wahrscheinlichste Phylogenie der Therapsiden aus Perm und Trias, wobei die Arten, für die Rey et al. über die Isotopenuntersuchung Endothermie nahelegen rot markiert sind. Die  gezackten roten Pfeile markieren die Stellen im Stammbaum, an denen Endothermie wahrscheinlich unabhängig voneinander auftrat. Der gerade rote Pfeil markiert die Stammbaumposition, bei der die Endothermie hätte auftreten müssen, um bei dieser Verteilung einen gemeinsamen Ursprung nahezulegen. Dies kollidiert aber damit, dass für eine Reihe anderer Arten, die später noch im Stammbaum auftauchen, zunächst keine Endothermie nachgewiesen werden kann. Quelle: Rey et al. 2017.

Test an den frühen Ahnen der Säugetiere. Diesen Gedanken testeten Rey und seine Kollegen nun an frühen Synapsiden, speziell der Untergruppe der Therapsida, die die Stammlinie der Säugetiere darstellt.  Ausgewählt wurden dafür die Überreste verschiedener Therapsiden aus Perm und Trias von Südafrika und China. Bei ihnen wurden die Sauerstoff-18-Werte gemessen und dann mit jenen von anderen, mit Sicherheit kaltblütigen Reptilien von den gleichen Fundstellen verglichen. Und tatsächlich zeigte sich, dass bestimmte Therapsiden deutlich abweichende Isotopen-Werte zeigten, die von den Forschern als Hinweis auf Endothermie gewertet werden.

Genauer gesagt fanden die Forscher Isotopenwerte, die sie als Hinweis auf Endothermie interpretierten bei genau zwei Gruppen von Therapsiden: Bei einer abgeleiteten Linie sogenannter Dicynodontier, deren bekanntester Vertreter Lystrosaurus ist. Und bei einer Eucynodontia genannten Linie, deren bekanntester Vertreter Cynognathus ist. Die Eucynodontia dürften auch die direkte Stammlinie der Säugetiere darstellen. Alle Taxa, bei denen Reys Gruppe aufgrund der Isotopenwerte Endothermie vermuten, stammen zwar aus der Trias – gehen aber auf direkte Ahnen aus dem Perm zurück. Daher vermuten die Forscher, dass die Endothermie sowohl bei Dicynodontiern wie bei Eucynodontiern bereits in der Endphase des Perm entstand. Nicht nur, dass damit die Endothermie unabhängig voneinander in zwei verschiedenen Teillinien der Therapsiden entstanden wäre. Nein, es sind auch genau die beiden einzigen Untergruppen der Therapsiden, die das Massenaussterben am Ende des Perms überlebten. Der Verdacht liegt nahe, dass die Endothermie die Tiere weniger anfällig für klimatische Veränderungen machte und sie dadurch das Massenaussterben besser überstehen konnten. Außerdem sind die Ergebnisse ein starkes Indiz dafür, dass die Endothermie im Stammbaum der Säugetiere bereits sehr alt ist – über 250 Millionen Jahre.

Artikel

Rey, K., Amiot, R., Fourel, F., Abdala, F., Fluteau, F., Jalil, N.-E., Liu, J., Rubidge, B. S., Smith, R.M.H., Steyer, J. S., Viglietti, P.A., Wang, X. & Lécuyer, C. (2017), Oxygen isotopes suggest elevated thermometabolism within multiple Permo-Triassic therapsid clades. eLife 2017; 6: e28589. Doi:10.7554/eLife.28589

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Stefan Reiss

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