Als das Echo von Dinosauriern, die durch Wälder krachten und durch Canyons plätscherten, vor 66 Millionen Jahren zum Erliegen kam, verstummte die Welt nicht - Säugetiere huschten und plapperten im Schatten und füllten Hohlräume mit neuen und sich schnell entwickelnden Arten. Wissenschaftler glauben, dass um diese Zeit die ersten Plazenten erschienen, die die Grundlage für die größte Gruppe von Säugetieren, einschließlich uns, bildeten, die heute noch leben.
Das Paläozän - die Epoche nach dem Aussterben der nicht-aviären Dinosaurier - markiert eine der wichtigsten Perioden der Säugetierentwicklung, aber die Forscher verstehen nicht, wie und warum sich Säugetiere in dieser Zeit so schnell entwickelt haben. Die rasante Evolution folgt in der Regel dem Massensterben, aber Wissenschaftler verstehen dieses Muster auch nicht, sagt Tom Williamson, Paläontologe am New Mexico Museum für Naturgeschichte und Wissenschaft in Albuquerque. "Dies ist die, zu der wir tatsächlich gehören, unsere eigenen Vorfahren stammen aus dieser Zeit und sie sind wirklich schlecht verstanden", sagt Williamson.
Aus diesem Grund arbeiten er und ein Team von sechs weiteren Wissenschaftlern aus den USA, Schottland, China und Brasilien daran, Dutzende von Säugetierfossilien aus den ersten 12 Millionen Jahren nach dem Verschwinden der Dinosaurier voneinander zu trennen, um den detailliertesten Stammbaum der frühen Säugetierfamilien zu erstellen. Sie müssen komplizierte Skelettstrukturen analysieren - einschließlich Ohrknochen und Gehirn-Fälle -, um Arten zu unterscheiden, aber herkömmliche Röntgenbilder können diese Kleinigkeiten nicht immer erfassen. Daher hat das Team eine einzigartige Partnerschaft mit dem Los Alamos National Laboratory (LANL) in New Mexico geschlossen, um hochauflösende Bilder mit einem hochmodernen Neutronenscanner zu erstellen. Williamson ist der erste Paläontologe, der auf diese Weise mit dem Labor zusammenarbeitet, das seine Wurzeln in der nuklearen Verteidigung hat. Die Partnerschaft zeigt, wie die Nukleartechnologie, die uns letztendlich als Spezies auslöschen könnte, auch Innovationen hervorgebracht hat, wie diesen Neutronenscanner, der uns helfen könnte, unseren eigenen Ursprung als Spezies zu verstehen.
Bevor die Dinosaurier verschwanden, waren eine der häufigsten und vielfältigsten Gruppen von Säugetieren, die um den Planeten huschten, nagetierähnliche Kreaturen, die Multituberkulaten genannt wurden. Einige von ihnen überlebten das Aussterben und maßen die Größe kleiner Mäuse. Nach dem Aussterben tauchten jedoch auch neue Säugetiergruppen auf, die sich rasch änderten. "Man wandelt sich von einem katzengroßen Säugetier zu etwas, das in etwa 300.000 Jahren die Größe eines Menschen hat, und das ist sehr schnell", sagt Williamson und merkt an, dass dieses schnelle Tempo Teil dessen ist, was diese Periode besonders interessant, aber auch herausfordernd macht verstehen.
Tom Williamson registriert einen Fossilienfund an seinem Feldstandort im San Juan Basin im Nordwesten von New Mexico. (Laura Poppick) Um zu einem erstklassigen Standort zu gelangen, an dem Williamson reichlich Beweise für dieses Leben gefunden hat, fahren wir einige Stunden nordwestlich von Albuquerque in die Ödländer des San Juan-Beckens. Bei unserer Ankunft wandern wir durch kahle graue Hügel in der Farbe von Mondstaub, die einst die Ufer eines Flusses waren. Sie erodieren jetzt im Wind und verschütten langsam Reste eines alten Ökosystems. Williamson erklärt, dass dies einer der besten Orte der Welt ist, um Reste von Säugetieren aus dieser Zeit zu finden, während wir in eine flache Senke hinabsteigen, in der er in seinen Jahrzehnten der Fossilienjagd besonderes Glück hatte.
Mitten in den Trümmern auf dem Boden beginne ich meine Augen nach Fossilien zu trainieren und nehme ein Stück weißgrauen Felsens in der Größe meiner Faust. Es hat ein direktionales Korn, das für mich wie ein Knochen aussieht. Ich zeige es Williamson und er schüttelt den Kopf. "Nur versteinertes Holz", sagt er, nicht so beeindruckt von einem millionen Jahre alten Baum, der in Stein verwandelt wurde wie ich.
In den nächsten Stunden trainiere ich meine Augen akuter und finde eine Menge anderer Fossilien: Schildkrötenpanzer, Echsenhaut, Fischschuppen und mehr. Aber was Williamson wirklich sucht, sind Überreste von Säugetieren, insbesondere Zähne und Schädel von Tieren, darunter Eoconodon coryphaeus - ein kleiner kletterfähiger Allesfresser in Katzengröße - und Pantolambda bathmodon, ein schafgroßer Pflanzenfresser, der näher am Boden blieb. Er ist hinter Zähnen und Schädeln her, weil andere Teile von Säugetier-Skeletten auffallend ähnlich aussehen, wenn sie den gleichen Umgebungsbedingungen widerstehen. "Diese Art von Dummköpfen denken Sie, sie sind eng miteinander verbunden, wenn sie nicht", erklärt Williamson.
Bestimmte Strukturen, einschließlich der Ohrknochen, sind jedoch nicht so anfällig für diese so genannte konvergente Evolution, da die Umwelt die Ohren nicht so leicht wie andere Körperteile beeinflusst, sagt Williamson. Laut Michelle Spaulding, Paläontologin an der Purdue University Northwest in Westville, Indiana, die an der Studie beteiligt ist, sind winzige Löcher im Schädel, in denen Blutgefäße und Nerven das Gehirn mit dem Rest des Körpers verbinden, besonders hilfreiche Identifizierungsmerkmale für verschiedene Arten. "Diese können sehr diagnostische Muster in der Ohrregion erzeugen, anhand derer wir erkennen können, zu welcher Gruppe ein Tier gehört", stellt sie fest.
Diese Löcher sind jedoch winzig und können mit bloßem Auge nicht untersucht werden. Daher ist die Partnerschaft des Teams mit dem Los Alamos National Laboratory für das Projekt von entscheidender Bedeutung. Das Labor betreibt einige der energiereichsten Röntgen- und Neutronenscanner der Welt, mit denen Bilder mit der höchstmöglichen Auflösung erstellt werden können, sagt Ron Nelson, Instrumentenwissenschaftler am Neutron Science Center des Labors. Er hat den Neutronenscanner letztes Jahr mit Williamson an einem großen Dinosaurierschädel getestet und dabei erfolgreich den höchstauflösenden Scan eines Tyrannosaurierschädels erstellt, der jemals ausgeführt wurde. Mit dem Vertrauen in die Technologie sind sie nun dazu übergegangen, kleinere Säugetierstrukturen abzubilden.
Das Los Alamos National Laboratory wurde 1943 für Forschungen zur nuklearen Verteidigung im Zusammenhang mit dem Manhattan-Projekt errichtet, das die Entwicklung der ersten Atomwaffen während des Zweiten Weltkriegs zum Ziel hatte. Seitdem hat es seine Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern, von Botanikern bis hin zu Physikern, zunehmend ausgeweitet, insbesondere in seinem Neutron Science Center, das einen 800 m langen Beschleuniger enthält, der Neutronen erzeugt - ungeladene Teilchen in Atomen, die gegenüber den in X verwendeten Elektronen bildgebende Vorteile bieten -strahlen.
Während Röntgenstrahlen von dichten Materialien absorbiert werden und diese gut abbilden können, erfassen Neutronen die Zusammensetzung in Atomen, unabhängig von der Dichte. Das heißt, Neutronen können Materialien durchdringen und Bilder aufnehmen, die Röntgenstrahlen nicht können. Ein klassisches Beispiel für dieses Phänomen ist das Bild einer Rose in einem Bleikolben. „Die Neutronen reagieren empfindlicher auf die Blume, sodass Sie sich die Blume in der Leine vorstellen können“, sagt Nelson.
Die Neutronenbildgebung hat eine Vielzahl von Anwendungen bei der Detektion von Sprengstoffen und Kernmaterial. Es bietet aber auch neue Lösungen für die Abbildung von Fossilien, die in Gesteinen stecken und von dichten Mineralien verdeckt werden. Das Herausbrechen der Fossilien aus dem Gestein würde die Probe zerstören, so dass das Neutronenscannen eine zerstörungsfreie Alternative darstellt - obwohl die Proben nach dem Scan für einen bestimmten Zeitraum radioaktiv werden, stellt Williamson fest. Seine Proben sind in der Regel nach einigen Tagen sicher zu handhaben, andere Materialien bleiben jedoch je nach Zusammensetzung viel länger radioaktiv.
Laut Nelson ist die Partnerschaft mit den Paläontologen für beide Seiten von Vorteil, da das Labor aufgefordert wird, neue Probleme zu lösen. "Indem wir unsere Techniken an ihren Proben verbessern, verbessern wir die Fähigkeit, die wir für andere Probleme haben, die wir zu lösen versuchen", sagt er.
Ein Neutronenscan (links) und ein Röntgenscan (rechts) bieten kostenlose Bilddaten für die Untersuchung verschiedener Bestandteile von Fossilien. (Nationales Labor von Los Alamos) Abgesehen vom Scannen von Fossilien wird das Team die Chemie der Zähne verschiedener Arten untersuchen, um mehr über das Klima zu erfahren, in dem diese Tiere lebten. Das Team wird auch Daten zu molekularen Beziehungen zwischen modernen Säugetieren und deren Beziehung zu einigen dieser ausgestorbenen Tiere untersuchen Spezies. Dies hilft dabei, eine zeitliche Kalibrierung und ein Gerüst für den Baum bereitzustellen, die molekularen Daten müssen jedoch noch mit vielen Lücken gefüllt werden. Deshalb ist es so wichtig, diese detaillierten Fossilienanalysen durchzuführen, sagt Anjali Goswami, Paläontologe am Natural History Museum in London, das sich ebenfalls mit der frühen Säugetierentwicklung befasst, sich jedoch nicht mit dieser Arbeit befasst.
„Eines der wichtigsten Dinge, die man tun muss, ist, nach Fossilien Ausschau zu halten und nach neuen Fundstellen zu suchen, die nicht gut verstanden werden“, sagt sie und merkt an, dass auch unterbesetzte Regionen in Indien und Argentinien, in denen sie arbeitet, dazu beitragen können, Lücken zu schließen das Rätsel der frühen Säugetierentwicklung.
Der resultierende Stammbaum wird ein Sprungbrett für die Erforschung weiterer Details über diese alten Kreaturen sein, einschließlich der verschiedenen Arten von Landschaften und Umgebungen, durch die sie gezogen sind, sagt Spaulding.
„Sobald wir herausgefunden haben, wie alles zusammenhängt, können wir interessantere Fragen zur Evolution der Säugetiere stellen“, sagt sie.
