Ediacara: Ursprung der Tiere

Die Veränderungen nach dem Rückzug der Eismassen vor 580 Millionen Jahren trug ein Forscherteam um den Paläontologen Scott Evans von der Florida State University 2022 zusammen: Zunächst blühten die Cyanobakterien und andere Mikroorganismen wieder auf. Erneut überzogen sie wie Matten den Meeresboden und ernährten sich vermutlich chemoautotroph – etwa über die Aufnahme von Schwefelverbindungen. Solche Kolonien sondern einen schleimigen Biofilm ab, in dem sich Sedimentkörner verfangen. Dadurch versteinerte dieser Mikroben-Meeresboden in vielen dünnen Schichten und hat eine runzlige Oberfläche – „Elefantenhaut“ sagen Paläontologen wie Scott Evans und Simon Darroch.

„Zu Lebzeiten“, sagt Simon Darroch, „waren diese Mikrobenmatten versteift, aber elastisch, wie ein verfilzter Rasen.“ Damit boten sie tierischen Lebewesen einen Lebensraum, die sich nun ebenfalls verbreiteten und manchmal mit der Matte zusammen versteinerten. Die Zeit der „Farnwedel“ hatte begonnen.

Manche Mehrzeller standen aufrecht, so wie die farnförmige Charnia, während andere flach auf dem Grund lagen. Dass ihre weichen Körper ohne Skelette und Panzer meist nur als Abdrücke fossilisierten, macht ihre Rekonstruktion und Zuordnung heute schwierig. Paläontologen können sie dadurch nur aufgrund ihrer äußeren Gestalt, der Morphologie, klassifizieren – Charnia und ähnliche Arten sind sogenannte Rangeomorphe.

Avalon: Fraktale Körper und Tierwälder

Auf der Avalon-Halbinsel im kanadischen Neufundland erstreckt sich auf dem Felsplateau Mistaken Point über 17 Kilometer hinweg die weltgrößte Fundstelle dieser uralten Lebensgemeinschaften. Sie ist heute ein UNESCO-Weltnaturerbe. Als vor etwa 565 Millionen Jahren ein Vulkan ausbrach, konservierte seine feinkörnige Asche sowohl einzelne Tiere als auch ganze Tiergruppen so gut, dass der älteste Zeitabschnitt des Ediacarums nach diesem Ort benannt wurde: Avalon. Wie in der antiken, durch den Vesuvausbruch verwüsteten Stadt Pompeji, hat die verfestigte Vulkanasche am Mistaken Point allerdings nur die Oberflächen der Lebewesen erhalten.

Die häufigen Charnia-Arten standen auf einer Haftscheibe auf dem Mikrobenboden „verankert“. Von der Scheibe ragte ein halb starrer Stab auf, von dem sich immer gleich gebaute „Wedel“ verzweigten – Forschende nennen solche Musterwiederholungen „fraktal“. Charnia und ähnliche fraktale Formen waren meist um 10 bis 15 Zentimeter groß, einzelne erreichten aber auch fast zwei Meter Höhe. Gemeinsam überragten sie als Tierwälder die Mikrobenmatten.

Tiere waren sie auf jeden Fall, da in den dunklen Tiefen, in denen sie lebten, keine Fotosynthese möglich ist. Ihre Ernährung ist allerdings noch nicht geklärt – zurzeit ist die sogenannte Osmotrophie, die Aufnahme von Nährstoffen über die Körperoberfläche, am plausibelsten.

Im Gegensatz zu vielen anderen Rangeomorpha-Arten lag die spindelförmige Fractofusus „umgekippt“ auf dem Mikrobenrasen. Die Spindeln zeigen bis heute die Richtung der starken Meeresströmungen auf dem Tiefseeboden an. Außerdem geben Fractofusus-Gruppen möglicherweise Hinweise zu ihrer Fortpflanzung: Um ein größeres Tier im Zentrum der Gruppe liegen mit Strängen verbunden rundherum kleinere Exemplare. Das erinnert an die ungeschlechtliche Fortpflanzung, etwa die des Gänsefingerkrauts: Erwachsene Exemplar bilden Ausläufer, an deren Ende ein genetisch identischer Klon heranwächst. Außerdem könnten die Verbindungen zum Austausch von Nährstoffen oder Informationen gedient haben.

Erste Ökosystem-Ingenieure

Die Rangeomorpha-Wälder prägten in den frühen Avalon-Ökosystemen die submarinen Landschaften. „Diese ersten Tiergemeinschaften“, erzählt Simon Darroch, „entstanden in Tiefen von bis zu 2.000 Metern in sehr nährstoffreichen Ozeanen. Die Tiefsee war zwar kalt und dunkel, bot aber stabile Lebensbedingungen – darum gilt sie als die Wiege der Ediacara-Evolution.“ Mit ihren fein gefiederten Fraktalen ragten Rangeomorpha weit ins Umgebungswasser. Während frühere Studien vermuteten, dass sie damit Nährstoffe aus dem Wasser aufnahmen, gehen moderne Analysen von einer Sauerstoffaufnahme aus: „Organische Partikel waren in den Ur-Ozeanen reichlich vorhanden, Sauerstoff hingegen nicht. Da dies kritisch für das Größenwachstum ist, mussten diese Urtiere Strategien entwickeln, auch unter ungünstigen Bedingungen möglichst viel des Atemgases einzufangen“, erklärt Darroch. Er begann vor mehreren Jahren mit der Erforschung der Ediacara-Faunen und wie diese die Ozeane veränderten, mittlerweile leitet er eine geobiologische Arbeitsgruppe in Frankfurt.

Gerade haben er und seine Kollegen publiziert, dass die Mistaken Point-Tiergemeinschaften die Durchmischung der Urmeere mit Sauerstoff und Nährstoffen förderten – also ihre Umwelt beeinflussten und dadurch als Ökosystem-Ingenieure wirkten. Dafür rekonstruierten die Paläontologen zunächst einzelne Arten dreidimensional und analysierten dann die Strömungsdynamik um das jeweilige Urtier. Mit einer Software, die normalerweise Ingenieure für die Entwicklung von U-Booten oder Flugzeugen nutzen, simulierten sie die Haltung und Ausrichtung der Tiere und ihrer fraktalen „Wedel“ in den damaligen recht starken Strömungen.

Auf Basis dieser Simulationen und mithilfe von Vergleichen mit heute lebenden Tiefseebewohnern wie Schwämmen machten sie sich schließlich an die 3D-Modellierung ganzer Tiergruppen und die Untersuchung von deren Einfluss auf die „Durchlüftung“ des Urmeeres. Anhand von drei verschiedenen Gesteinsabschnitten mit unterschiedlichen Tiergruppen vom Mistaken Point ließen sie die Software mehrere Simulationen berechnen. Das Resultat: Die Durchmischung des Wassers und damit der Umwelteinfluss durch diese Tiere war eindeutig relevant – wie sehr, hing vor allem von ihrem Umriss und ihrer Wuchshöhe ab. Besonders effektiv war Bradgatia, die mit einem Durchmesser von über 50 Zentimetern zu den größten Arten gehörte. Im Gegensatz zu den einzelnen Wedeln anderer Rangeomorpha trug Bradgatia auf der Haftscheibe einen ganzen Ring davon – wie ein gefiederter Korb.

Mit ihren Strömungsuntersuchungen konnten die Forscher einen klaren Einfluss der ersten Tiere der Erdgeschichte auf die Evolution nachweisen. Indem die Farnförmigen mit Verwirbelungen Sauerstoff und Nährstoffe umverteilten, schufen sie veränderte Umweltbedingungen und trugen zur Entwicklung größerer und mobiler Tiere mit neuen Merkmalen bei.

Weißes Meer: Kalkstein und Biomoleküle

Während in den frühen Avalon-Ökosystemen vor allem die Tierwälder dominierten, tauchten in der Weißes Meer-Ära – benannt nach der ersten Fundstelle nahe der russischen Arktisstadt Archangelsk am Ufer des Weißen Meeres – neue Arten und Formen auf. Ein evolutiver Schub brachte diese Tiere in flachere Meeresbereiche, deren stetige Veränderungen von Temperatur, Sauerstoffgehalt, Salzgehalt und Wellenschlag Stressfaktoren waren und andere Anpassungen verlangten. Unter den entstehenden Arten waren mehr mobile Tiere, die schlechte Standorte verlassen und sich eine bessere Umgebung suchen konnten – ihre Kriech- und Fraßspuren in den Mikrobenmatten sind fossiliert. Auch sie agierten wieder als Ökosystem-Ingenieure, sagt Darroch, und veränderten ihre Umgebung.

Die australische Flinders Range-Lebensgemeinschaft gehört ebenfalls in diese Zeit. Dort hat der feine rote Sandstein perfekte Abdrücke etwa von Dickinsonia erhalten. Deren rundlich-ovaler, sehr flacher Körper trug auf der Oberseite Lamellen und war rechts-links-symmetrisch. Einige Dickinsonias sind am Ende ihrer Fußspur fossilisiert – offenbar trippelten sie vor 550 Millionen Jahren äsend über die Bakterienrasen. Dadurch ist ihre Laufrichtung bekannt und eine zusätzliche einzelne Lamelle am Vorderteil wird als beginnende Kopfbildung interpretiert. Sowohl die Symmetrie als auch der Trend zum Kopf waren offenbar evolutiv vorteilhaft, denn immer mehr Arten zeigten diese Merkmale.

Während die meisten Ediacara-Funde nur Abdrücke in verwitterten Gesteinen hinterließen, wurden sie in der sibirischen Khatyspyt-Fossilstätte unter anderen geochemischen Verhältnissen im 544 Millionen Jahre alten Meeresboden samt organischer Substanz versteinert. Der Kalkstein ermöglichte zudem den Einsatz moderner geochemischer Analysen, um Umweltinformationen des verschwundenen Urmeeres zu rekonstruieren. Auf Basis bestimmter Kohlenwasserstoff-Verbindungen – Reste zerfallener biologischer Lipide, also Lebensspuren – konnten Forschende wie der Göttinger Geochemiker Jan-Peter Duda dort drei verschiedene ökologische Nischen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt nachweisen.

Ein anderes Team um den Geochemiker Ilya Bobrovskiy fand in den Khatyspyt-Fossilien und Gesteinen sogar fossile Biomoleküle wie Lipide. Damit war die Rekonstruktion der letzten Mahlzeiten zweier Tiere möglich: Beide hatten Grünalgen und Bakterien gefressen. Aber während die schneckenartige Kimberella die Mikroben-Matten vom Meeresboden abkratzte, fing Calyptrina ihre Beute aus dem Wasser – sie lebte in einer Kalkröhre auf dem Meeresgrund und streckte vermutlich Tentakel aus, wie heutige Röhrenwürmer. Die ebenfalls hier gefundene Dickinsonia hatte anscheinend keinen Darm. Der flache Bodenbewohner verdaute seine Nahrung möglicherweise außerhalb des Körpers – wie heutige Seesterne, die ihren Magen nach außen stülpen.

Einige neue Arten wie die ebenfalls platte Yorgia zeigen Weiterentwicklungen: Ihre Vorderkante ist deutlich abgesetzt und trägt feine Kanälchen, die Sinnesstrukturen sein könnten – offenbar eine beginnende Kopfbildung.

Nama: Flachwasser und Riffe

Am Übergang vom Weißen Meer- zum Nama-Zeitalter starben dann rund 80 Prozent der alten Ediacara-Tiergruppen aus. Wie bei anderen Massensterben der Erdgeschichte waren wahrscheinlich ökologische Faktoren die Ursache. Einige Forschende vermuten Sauerstoffmangel, andere wie Simon Darroch halten eher die Verdrängung durch inzwischen weiterentwickelte Tiergruppen und deren Ökosystemveränderungen für plausibel.

Der letzte Ediacara-Abschnitt ist nach der Nama-Fundstelle in Namibia benannt – der Senckenberg-Paläontologe Darroch ist dort oft mit Kollegen unterwegs und sucht nach noch unbekannten Fundstellen. In diesem Flachmeer-Ökosystem standen noch Rangeomorpha-„Wälder“ und auch Dickinsonia war dort weiterhin unterwegs. Daneben stiegen zu der Zeit aber als „evolutive Experimente“ wiederum viele neue Arten auf. Neben Rechts-Links-Symmetrien entstanden weitere Formen, die aber oft schnell wieder verschwanden. Erfolgreicher war der Trend zum Vorderende als Basis für die spätere Kopfbildung. Auch die wurmartigen Kalkröhrenbewohner nahmen zu. Dazu gehört der erste Riffbauer Cloudinia, dessen Wuchsform heutigen Korallen ähnelte.

Am Ende der Nama-Zeit gab es kaum mehr Ediacara-Arten. Sie unterlagen den weiterentwickelten größeren, schnelleren und gepanzerten Tieren des Kambriums – mit Köpfen voller Sinnesorgane und gefräßigeren Mäulern. Während die Ediacara-Tiere nur auf dem Mikrobenrasen lebten, konnten sich die neuen kambrischen Tiere kraftvoll in die „Matten“ und das darunterliegende Sediment hineinbohren und es durchwühlen. Das bedeutete das Ende dieser Matten und ihrer Bewohner, die damit ihr Fundament verloren.

Nur wenige farnwedelartige Überlebende retteten sich noch bis ins Kambrium, verschwanden aber spätestens dann. Manche Nama-Tiere werden als Schwämme, andere als Röhrenwürmer gedeutet – die bis in die Gegenwart überlebten.

Doch auch wenn sie längst verschwunden sind, waren die Ediacara-Faunen einer der wichtigsten Wendepunkte der Evolution: Diese ersten Mehrzeller sorgten mit ihrer Größe und ihrer Aktivität für die Durchmischung der Meere mit Sauerstoff, Nährstoffen und anderem Material und schufen damit erstmals unterschiedliche Ökosysteme. So bereiteten sie in nur 35 Millionen Jahren den Weg für den Aufstieg der kambrischen Biodiversität. //