Eine verlorene Welt

Die Karsthöhle am Petersberg im Brudertal. · Foto: © Regierungspräsidium Freiburg / LGRB

Allerdings griff diese sogenannte Megafauna wahrscheinlich auch selbst in die Gestaltung ihres Lebensraums ein, wie Drucker schildert. Die Tiere fungierten als Ökosystem-Ingenieure. Beim Wühlen und Trampeln pflügten sie die oberen Bodenschichten um. Ihre Fressaktivität und Verdauung beschleunigten den Nährstoffzyklus. Bemerkenswert ist zudem die Artenvielfalt. Neben Mammuthus primigenius, den Wollhaarmammuts, beherbergte die Steppe auch Wollhaarnashörner (Coelodonta antiquitatis), Rentiere (Rangifer tarandus), Moschusochsen (Ovibos moschatus), Wildpferde (Equus ferus), Saiga-Antilopen (Saiga tatarica) und Steppenbisons (Bison priscus). Jede dieser Spezies dürfte ihre eigene ökologische Nische gehabt haben. Diese Artenvielfalt ist durchaus mit der in der heutigen afrikanischen Savanne vergleichbar.

Aufschlussreiche Funde aus Grotten

Doch der urtümliche Garten Eden war bekanntlich nicht von Dauer. Noch vor Beginn des Holozäns, der aktuellen geologischen Epoche, machte sich eine erste globale Erwärmung bemerkbar und läutete das langsame Ende der Mammutsteppe ein. Welche Auswirkungen der Temperaturanstieg hatte, lässt sich für Süddeutschland besonders gut an Funden aus dem Brudertal bei Engen im baden-württembergischen Hegau ablesen. Die dortigen Kalkfelsen weisen drei Grotten auf: den Petersfels, das Drexlerloch und die Gnirshöhle. Alle wurden während der Steinzeit von Menschen genutzt, die im Laufe der Jahrtausende so einiges zurückließen. Forschende fanden hier verschiedene Werkzeuge, Statuetten und Schmuckstücke sowie Tierzähne und zahlreiche Knochen, zum Teil mit Schnittspuren. Das sich verengende Brudertal könnte eine natürliche Falle vor allem für Rentierherden gewesen sein, glauben Experten. Waren die Vierbeiner erst mal hineingetrieben worden, konnten die prähistorischen Jagdgesellschaften sie leichter erlegen.

Für die Wissenschaft ist die Lage ein wahrer Glücksfall. Allein am Petersfels wurden bei den bisherigen Grabungen circa anderthalb Tonnen tierische Überreste geborgen. Diese Menge lässt vermuten, dass der Ort eine zentrale Anlaufstelle war – auch wenn die kleine Höhle selbst nur wenigen Unterschlupf bot. „Die Menschen haben vor dem Petersfels wohl eine Art Zeltlager gehabt“, meint der ebenfalls an der Universität Tübingen tätige Archäozoologe Chris Baumann. Steinzeitliche Gruppen trafen sich vielleicht zur gemeinsamen Jagd, und die Beute wurde gleich an Ort und Stelle verarbeitet. Die ältesten Funde aus dem Brudertal stammen allerdings aus der Magdalénien-Epoche vor etwa 17.000 bis 13.000 Jahren. Von der deutlich früheren Aurignacien-Kultur, welche auch die berühmten Tier- und Frauenfigurinen der Schwäbischen Alb hervorbrachte, gibt es im Hegau keine Spuren.

Dank der Knochen und Zähne aus dem Brudertal lässt sich nicht nur die Artenvielfalt der süddeutschen Mammutsteppe untersuchen. Das Material ermöglicht auch Einblick in die Ökologie und den Wandel des damaligen Lebensraums. Der Schlüssel dafür sind sogenannte stabile Isotope. Solche Varianten der Atome wichtiger Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff werden in unterschiedlichen Quantitäten von Tieren und Pflanzen aufgenommen und eingelagert. Über die Mengenverhältnisse entscheiden sowohl die Biologie als auch die vorherrschenden Umweltbedingungen. Chris Baumann erläutert dies am Beispiel des „schweren“ Sauerstoffisotops ¹⁸O. Er und seine Kolleginnen analysieren unter anderem dessen Häufigkeit im Zahnschmelz. Regenwasser enthalte weniger ¹⁸O als Grundwasser, erklärt der Forscher. „Wichtig ist also: Welches Trinkverhalten hat ein Tier?“ Deckt es seinen Wasserbedarf vorrangig aus Pfützen oder der Nahrung, zeige sich das im Sauerstoff-Isotopenprofil, ausgedrückt als δ¹⁸O.

Ein Lochstab und Rentiergeweihstangen mit Gravuren. · Foto: © Wikimedia Commons / Thilo Parg (CC BY-SA 3.0)

Zahnschmelz im Massenspektrometer

Die anscheinend regelmäßige menschliche Nutzung von Petersfels und Gnirshöhle begann vor etwa 16.000 Jahren und währte zunächst mehr als 2.000 Jahre lang. Just in den Zeitraum fällt auch die erste zögerliche, aber kontinuierliche Erwärmung nach der Maximalvereisung am Ende des Würm-Weichsel-Glazials. Chris Baumann, Dorothée Drucker und sechs weitere Wissenschaftlerinnen eröffnete diese Überlappung eine spannende Perspektive. Im Zahnschmelz der prähistorischen Tiere, so vermutete das Tübinger Team, könnten detaillierte Spuren des steinzeitlichen Klimawandels enthalten sein. Die Forschenden nahmen Proben aus den Backenzähnen von sieben Wildpferden und einem Auerochsen oder Bison – genauer lässt sich das bei Zahnfossilien nicht unterscheiden. Sie schickten den Schmelz durch ein Massenspektrometer und wurden tatsächlich fündig. Die Isotopen-Messwerte enthielten diverse Hinweise auf eine längst vergangene Welt.

Das Besondere an dieser Studie ist die hohe zeitliche Auflösung der Daten. Bisher kam bei ähnlichen Analysen vor allem Knochenkollagen zum Einsatz. In dem Material werden anhaltend Kohlenstoff und Stickstoff eingelagert, seine Isotopenprofile sind deshalb Mittelwerte über die gesamte Lebensspanne eines Tieres. Zahnschmelz dagegen wächst und reift bei Pferden nur während der ersten fünf Jahre, in Rindergebissen sogar nur zwei Jahre lang. Dieser Prozess verläuft phasenweise: Unterschiedliche Schmelz-Zonen durchlaufen ihn zeitlich verschoben, und das schlägt sich in der Isotopenzusammensetzung nieder. Die Schichten bilden praktisch ein Archiv. So können Fachleute auch nach vielen Millennien noch jahreszeitliche Veränderungen in den Lebensbedingungen von Säugern nachvollziehen. Das gelang den Tübingern nun für das spätpleistozäne Süddeutschland.

Frühere, auf Kollagen basierende Arbeiten boten bereits erste Einblicke, doch das Team wollte ein besseres Bild des Zusammenspiels von Klima und Ökologie bekommen. Erfasst wurden nicht nur die ¹⁸O-Mengenverhältnisse, sondern auch die des Kohlenstoff-Isotops ¹³C. Letzteres nehmen Tiere über ihr Futter auf. ¹³C hat die Neigung, sich in der Nahrungspyramide nach oben hin anzureichern. Das heißt, je höher die sogenannte trophische Stufe, auf der eine Spezies steht, desto höher sind im Allgemeinen auch ihre δ¹³C-Werte. Pferde stehen als reine Pflanzenfresser weit unten, Raubkatzen ganz oben.

Detektivische Feinarbeit

Die konkrete Interpretation solcher Daten ist allerdings äußerst komplex. Belastbare Ergebnisse können nur durch Vergleiche mit bereits verifizierten Resultaten anderer Untersuchungen zustande kommen. Oft führen Expertinnen parallel auch Messungen der Stickstoff-Variante ¹⁵N durch, deren Häufigkeit ebenfalls tierische Ernährungsgewohnheiten spiegelt. Isotopenanalysen erfordern viel detektivische Feinarbeit.

Geowissenschaftlerin Dorothée Drucker von der Universität Tübingen extrahiert Kollagen aus einer Probe. · Foto: © Wolfgang Gerber / Universität Tübingen

Die neue Tübinger Studie deckt mehrere interessante Details auf. Zum einen zeigen zwei der Pferdezähne deutlich schwankende δ¹⁸O-Werte. Demnach dürften diese beiden Tiere kalte Winter und relativ warme Sommer erlebt haben. δ¹⁸O nimmt bei niedrigen Temperaturen ab und steigt bei höheren. Die anderen Pferde scheinen in Zeiten mit einem etwas gemäßigteren Klima zur Welt gekommen zu sein. Solche Verschiebungen sind im Verlauf von Jahrhunderten normal. Zum Vergleich bezog die Arbeitsgruppe auch einen ungefähr gleich alten Pferdezahn von einer Fundstelle in Nordwestfrankreich mit ein. Dessen δ¹⁸O-Signatur deutet auf noch mildere Wetterverhältnisse mit mehr Regen hin – eventuell eine Folge der Nähe zum Meer.

δ¹³C ermöglicht ebenfalls klimatische Rückschlüsse. Sein Wert steigt mit zunehmender Trockenheit. Der Hintergrund: Gewächse von trockeneren Standorten nehmen mehr ¹³C auf als solche, die besser mit Wasser versorgt sind. Die Mengen hängen jedoch auch von der Wuchshöhe, dem Stoffwechsel und der Familienzugehörigkeit der vorhandenen Pflanzenarten ab. All dies schlägt sich letztlich im Isotopenprofil von Herbivoren nieder.

Erkenntnisse über Essgewohnheiten

Die Pferdezähne aus dem Brudertal weisen relativ niedrige δ¹³C-Werte auf. Die Pferde hätten hauptsächlich Gräser gefressen, erklärt Chris Baumann. Ein Vergleich mit dem untersuchten rinderartigen Tier offenbart allerdings Überraschendes, denn der Bison oder Auerochse lagerte wesentlich mehr ¹³C im Zahnschmelz ein. Baumann vermutet, dass der Wiederkäuer sich zum Teil von Flechten wie dem Rentiermoos (Cladonia rangiferina) ernährt haben könnte, welches besonders reich an ¹³C ist. Und damit wäre vielleicht auch die zoologische Identität des Vierbeiners geklärt. Flechten wurden nach den bisherigen Erkenntnissen von Auerochsen verschmäht, der ausgestorbene Steppenbison dagegen hatte einen vielfältigeren Speiseplan und nutzte womöglich auch dieses Futterangebot.

Es gebe aber noch eine alternative Erklärung, meint Baumann. Der Rinderartige könnte selektiv auf trockeneren Flächen gegrast haben, wo der Bewuchs zusätzlich ¹³C aufnahm. Das wäre dann ein Hinweis auf sogenanntes „resource partitioning“, zu Deutsch Ressourcenaufteilung. Wenn ökologisch ähnliche Tierspezies wie die damaligen großen Pflanzenfresser auf unterschiedliche Nahrungsquellen zurückgreifen, begünstigt dies ihre Koexistenz. In der Mammutsteppe müsse der Effekt sehr ausgeprägt gewesen sein, betont Dorothée Drucker. Sonst hätte es die besagte Artenvielfalt wahrscheinlich nicht gegeben.

Backenzahn und Stoßzahnfragment eines Mammuts. Aus dem Zahnschmelz ziehen Forschende Rückschlüsse auf die damaligen Umweltbedingungen. · Foto: © mauritius images / Katharina Hild / imageBROKER

Die große Bedeutung der Ressourcenaufteilung legen auch andere Studien nahe. Bei spätpleistozänen Tierknochen aus Süddeutschland, Belgien, Tschechien und Sibirien zeichnet sich jede Spezies durch ihre eigenen Isotopenprofile aus. Besonders auffällig sind diesbezüglich immer wieder die Wollhaarmammuts. Deren δ¹⁵N-Werte liegen stets im obersten Bereich. Drucker zufolge fraßen die Rüsseltiere vermutlich viele Stauden und vor allem reife, bereits trockene Grashalme. Je älter das Gras, desto mehr ¹⁵N, erklärt die Expertin. Eine ähnliche Futterpräferenz haben auch die Zebras in der heutigen afrikanischen Savanne, wo ebenfalls ein ausgeprägtes „resource partitioning“ vorherrscht.

Hinweise auf frühe Hundehaltung

Selbstverständlich bieten Isotopenanalysen nicht nur Einblicke in die Speisepläne von Herbivoren. Europäische Höhlenlöwen (Panthera speleus) zum Beispiel ernährten sich anscheinend vor allem von Rentieren. Spannende Ergebnisse brachten auch die Untersuchungen von 14 süddeutschen und schweizerischen Caniden-Knochen, darunter sechs Stück aus der Gnirshöhle. Die analysierten Überreste stammen sowohl von Wölfen als auch von urzeitlichen Hunden. „Wir haben da riesige Unterschiede in der Nahrung gefunden“, sagt Chris Baumann. Für Wölfe war die Megafauna offenbar die wichtigste Lebensgrundlage, etwa durch die Mammuts – sei es als Aas oder in Gestalt selbst gejagter Jungtiere. Die urzeitlichen Hunde hingegen bekamen Rentier- oder Pferdefleisch und kleinere Säuger wie Schneehasen zu fressen. Sie wurden wohl von Menschen gefüttert, die sie wahrscheinlich als Jagdhilfen und Wachtiere hielten. Die Gnirshöhle diente möglicherweise als eine Art Zwinger, meint Baumann.

Parallel durchgeführte DNA-Untersuchungen bestätigen diese Einteilung der beprobten Caniden in zwei Nischen. Jene aus der Gnirshöhle weisen allerdings eine ungewöhnlich hohe genetische Diversität auf und lassen sich nicht eindeutig Wölfen oder Hunden zuordnen. Diese Tiere dürften laut Baumann eine frühe Stufe im Domestikationsprozess darstellen. Drei weitere Exemplare aus dem nur 16 Kilometer entfernt in der Schweiz gelegenen „Kesslerloch“ zeigen ähnliche Isotopenprofile. Vielleicht war die Region nordwestlich des Bodensees sogar ein urzeitliches Zentrum der Hundezucht.

Der postglaziale Klimawandel machte sich derweil immer stärker bemerkbar. Begünstigt durch die Erwärmung begann die Mammutsteppe langsam zu verbuschen, Bäume und Sträucher breiteten sich zunehmend aus. Für die Fauna hatte das einschneidende Folgen. So fanden Rentiere kaum noch Flechten und mussten auf anderes Futter umstellen, wie an ihren δ¹³C-Werten abzulesen ist. Schließlich wanderten sie komplett nach Norden aus. In die einst offenen Landschaften zogen nun waldaffinere Arten wie die Rothirsche (Cervus elaphus) ein. Eine Reihe weiterer kälteadaptierter Tierspezies starb währenddessen aus, darunter bekanntlich auch das Wollhaarmammut.

Knochen aus der Gnirshöhle lassen sich genetisch nicht eindeutig Hunden oder Wölfen zuordnen. Vermutlich handelt es sich bei ihnen um eine frühe Stufe im Domestikationsprozess von Hunden. · Foto: © Senckenberg / Baumann

Ob die zotteligen Giganten der Erwärmung und den damit verbundenen ökologischen Umwälzungen zum Opfer fielen oder der zunehmenden menschlichen Präsenz, ist noch immer ungeklärt. Vermutlich war es eine Kombination mehrerer Faktoren. Der Jagddruck habe sicherlich eine Rolle gespielt, meint Dorothée Drucker. „Mammuts bedeuteten viel Fleisch, Fett und viele Rohmaterialien.“ Unsere Vorfahren konnten praktisch alles verwenden, sogar die Knochen als Stützen für ihre Zelte. Doch irgendwann brachen diese Populationen zusammen. Eine Ressource verschwand, und damit auch die von ihr erbrachten Leistungen für das Ökosystem. ■

KURT DE SWAAF
hat sich schon öfter gefragt, wie Süddeutschland wohl vor über 10.000 Jahren aussah. Diese Recherche bot ihm einen Einblick.

Isotope – die Kraft der kleinen Unterschiede

Atom ist nicht gleich Atom. Ihre Kerne bestehen, je nach Element, aus einer festen Anzahl an Protonen, begleitet von einer ähnlichen Menge an Neutronen. Letztere sind allerdings variabel und nicht immer stabil. Atome des gleichen Elements, die unterschiedlich viele Neutronen aufweisen, werden als Isotope bezeichnet. Kohlenstoff zum Beispiel kennt drei natürlich auftretende Isotope. Das häufigste Isotop ¹²C trägt sechs Protonen und sechs Neutronen im Kern; ¹³C dagegen hat ein Neutron mehr. ¹⁴C, welches oft für Altersdatierungen verwendet wird, verfügt sogar über zwei Extra-Neutronen. Die vor der Element-Kennzeichnung stehende Zahl gibt immer die Summe sämtlicher Kernteilchen wieder.

Die Menge an Neutronen hat deutliche Auswirkungen. Isotope sind dadurch leichter oder schwerer, was ihr physikalisches Verhalten in der Umwelt beeinflusst. Auch biologisch und chemisch gibt es Folgen. Kohlendioxid-Moleküle mit einem ¹³C-Atom wandern etwas langsamer durch die Stomata, die Atmungsöffnungen von Pflanzenblättern, und werden weniger effizient von Enzymen gebunden wie ihre regulären Geschwister. In Kombination mit anderen leicht unterschiedlichen Effekten ergibt sich für jeden Organismus und jede Umgebung ein eigenes Isotopenprofil – individuell wie ein Fingerabdruck.