Fossilien aus der Frühzeit des Menschen sind selten und zerbrechlich. Leipziger Forscher machen sie jetzt als 3D-Modelle unvergänglich – im Computertomographen.
„DIE MENSCHLICHE EVOLUTION zu erforschen, ist nicht das Gleiche wie etwa die Forschung in der Astronomie oder in der Genetik. Die Sterne sind jedem zugänglich, und es sind genügend Gene für alle da”, sagt Jean-Jacques Hublin. In diesen Disziplinen gelte es „nur”, kreativ zu sein, über ausreichend Geld zu verfügen und intensiv zu arbeiten. Auch die Paläoanthropologen bräuchten all dies – aber zusätzlich ein weiteres, entscheidendes Detail: „Wir benötigen fossile Hominiden” , erklärt der Direktor des Department of Human Evolution am Leipziger Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, abgekürzt MPI-EVA (siehe bild der wissenschaft 7/2008, „Mekka der Menschenforscher”). Aber die versteinerten Knochen der Zweibeiner aus vergangenen Jahrmillionen sind rarer als Goldnuggets.
Wer jahrelang afrikanischen Wüstenstaub geschluckt hat und endlich auf das Überbleibsel eines Hominiden stößt – ein Stück Unterarmknochen, einen Zahn, oder gar einen Schädel –, der will seinen hart erarbeiteten Fund die nächsten Jahre für sich haben: die Entdeckung studieren, wissenschaftliche Abhandlungen darüber veröffentlichen, die Lorbeeren ernten. In einer fairen Welt würde das knöcherne Fundstück nach dieser Frist der Öffentlichkeit zugänglich gemacht – und natürlich anderen Wissenschaftlern. Doch zu deren Leidwesen vollzieht sich beim Umzug des Fundes in einen Museums-Safe eine plötzliche Transformation: „Aus dem Forschungsobjekt wird ein kostbarer, sorgsam gehüteter Schatz”, sagt Hublin. Diesen Schatz bewacht dann eine Museumsverwaltung, die sich sträubt, ihn herauszugeben und sogar zögert, Außenstehenden einen Blick darauf zu gewähren. Wenn ein externer Forscher endlich nach monatelangem Papierkrieg die Erlaubnis zur Arbeit an seinem Wunsch-Fossil ergattert hat, fallen die Reisekosten zum Aufbewahrungsort an – häufig in Afrika.
„Bei fossilen Funden, die schon vor 20, 30 oder gar 100 Jahren entdeckt wurden, ist so etwas völlig unfair – es verlangsamt den Fortschritt der Forschung. Das müssen wir bekämpfen”, unterstreicht Hublin. Er selbst arbeitet bereits entschlossen an der Lösung des Problems: Mit mobilen Computertomographen reisen der Leipziger Anthropologe und sein Team um die Welt, legen Stopps bei den Sammlungen fossiler Hominiden ein und scannen die bedeutendsten Objekte der menschlichen Frühgeschichte. In Form von Datenmodellen, als dreidimensionale Rekonstruktionen, werden Knochen und Zähne im Computer konserviert. Das Ziel ist eine virtuelle Sammlung aller wichtigen fossilen Hominidenfunde, die bislang über den Globus verstreut in unzugänglichen Museumsafes liegen – wodurch endlich, via Internet, jeder auf sie Zugriff haben soll, der sie für seine Forschung braucht.
FORSCHEN AN KOPIERTEN FOSSILIEN
„Als ich noch Doktorand war”, erinnert sich Hublin, „musste ich quer durch Europa fahren, um die Neandertaler-Fossilien untersuchen zu können. Oft war es sehr schwierig, an sie heranzukommen, von den Reisekosten ganz zu schweigen.” Heute hingegen könne ein Doktorand in Leipzig die gleiche Arbeit machen, ohne einen Fuß vor die Tür zu setzen: vom Computer seines Arbeitsplatzes aus, indem er auf die virtuellen Kopien der Fossilien zugreift. Derzeit haben allerdings nur die Wissenschaftler am Leipziger MPI-EVA dieses Privileg. Sie stellen die Ausrüstung und das Personal zur Verfügung, dafür dürfen nach Beendigung der Scan-Arbeit nur sie an den virtuellen Hominiden forschen und arbeiten – genau drei Jahre lang. Nach Ablauf dieser Frist gehen alle Rechte an den virtuellen Daten an die verantwortlichen Museen über. Sie können die zerbrechlichen Originale beruhigt im Safe lassen und den anfragenden Paläoanthropologen stattdessen die 3D-Daten zur Verfügung stellen.
Die virtuelle Paläoanthropologie „eröffnet immens viele neue Forschungsmöglichkeiten”, ist Fred Spoor vom University College in London überzeugt. Spoor arbeitet seit Jahren mit dem Team von Paläontologen um Meave und Louise Leakey, das für die Fossiliensammlung im Nairobi National Museum verantwortlich ist – dem jüngsten Reiseziel von Hublins Tomographie-Team. Seit Anfang der Neunzigerjahre kooperieren Spoor und Hublin immer wieder bei Forschungsprojekten. „Bevor Hublin mit seinem schönen Scanner kam” , erinnert sich Spoor, „habe ich immer, wenn wir in Kenia etwas Neues aus der Erde holten, das Fossil erst mal zu einem Krankenhaus in der Nähe des Museums getragen, um es dort unter den medizinischen Computertomographen zu legen.” Solche Röntgenaufnahmen unterlagen damals aber vielen Einschränkungen. „ Medizinische Scanner haben keine sonderlich hohe Auflösung”, sagt Hublin, „und sie sind für große Objekte, nämlich Patienten, gedacht.”
ZÄHNE ZUM REDEN BRINGEN
Als Jean-Jacques Hublin 2004 von der Universität Bordeaux nach Leipzig wechselte, war eine seiner ersten Amtshandlungen die Beschaffung zweier Industrie-Scanner, mit denen er seinen liebsten Forschungsobjekten auf den Zahn fühlen konnte. Einer dieser Computertomographen, die in Leipzig zum Strahlenschutz in einem komplett bleiummantelten Raum untergebracht sind, ist in der Lage, alle 0,8 Mikrometer ein Schnittbild des Objekts zu schießen. „Modernste medizinische Scanner schafften nur 300 Mikrometer starke Scheiben”, erklärt Hublin stolz. Wie dick beispielsweise der Schmelz eines Neandertaler-Zahns ist, ließe sich damit nicht messen. Das wäre bedauerlich, denn Zähne liefern eine Fülle von Informationen, nach denen die moderne Paläontologie strebt. Die Funde äußerlich zu vermessen und zu beschreiben, war gestern. Heute müssen die fossilen Reste Geschichten erzählen von häufig Gegessenem, vom Tempo des Wachsens, von Krankheiten und vom Sterben. Im Computertomographen lernen die Paläo-Zähne das Plaudern. Sie erzählen etwa, wie alt sie waren, als ihr Träger starb. „Zähne wachsen in Ringen, ähnlich wie Bäume”, erklärt die Leipziger Anthropologin Tanya Smith. Ein Ring entspricht einem Tag. Schafft man es, die mikroskopisch feinen Schichten im virtuellen Objekt sichtbar zu machen und zu zählen, kann man das Alter zum Todeszeitpunkt sehr genau bestimmen.
„Am virtuellen Fossil ist vieles möglich, was am Original nicht geht”, weiß Hublin. Zum Beispiel werden in der virtuellen Kopie mannigfache Details sichtbar, die im Original für immer verborgen geblieben wären – etwa die feinen Strukturen des Innenohrs. Oder: Menschliche Fossilien, die unvollständig oder zertrümmert gefunden wurden, können die Wissenschaftler am Computer rekonstruieren. Wo früher Bruchstücke mit Klebstoff verbunden wurden und – sobald sich konkrete Anhaltspunkte für eine andere Anordnung ergaben – wieder auseinandergerissen werden mussten, können die Teile heute beliebig gedreht, gekippt und ineinander gepasst werden. Fehlende Stücke eines Skeletts oder Schädels lassen sich durch Spiegelung oder durch Teile anderer Fossilien aus einer Datenbank ersetzen. Die Leipziger Max-Planck-Forscher sind dabei, eine große virtuelle Spielwiese für die Paläontologen zu schaffen.
SCAN-EXPEDITION NACH NAIROBI
Doch für dieses Ziel heißt es erst einmal, viel Aufwand zu betreiben. Die Leipziger Computertomographen haben bereits die Stationen Russland, Kroatien, Südafrika und Marokko hinter sich – und zuletzt Kenia. Am National Museum in der Hauptstadt Nairobi hat das Team des Max- Planck-Instituts mehrere Wochen lang die von der Familie Leakey angehäuften Urzeitschätze gescannt und digitalisiert. Für die kenianische Museumsleitung war es keine einfache Entscheidung, „ja” dazu zu sagen. Man verbaute sich für die Zukunft eine lukrative Einkommensquelle. Denn viele große Museen rund um den Globus reißen sich seit Jahrzehnten darum, gegen ein hübsches Honorar das eine oder andere Exponat aus Nairobi auch in den eigenen Hallen ausstellen zu dürfen. Denn die knöchernen Stars locken zahlende Besucherscharen ins Haus. Doch die Verschickung der kostbaren, empfindlichen Artefakte ist umstritten. Manchem Paläoanthropologen treibt der Gedanke den Angstschweiß auf die Stirn, etwa Kenias berühmtestes Exponat, das 1,5 Millionen Jahre alte Skelett eines Homo-erectus-Jungen („ Turkana Boy”), in eine Versandbox zu stecken. Was, wenn ein Hafenarbeiter sie fallen lässt und die unersetzlichen Fossilien zerbrechen?
Zwar gibt es die stille Übereinkunft in der Forschergemeinde, dass die raren Fossilien für wissenschaftliche Zwecke ausgeliehen werden dürfen. Doch das nutzen manche Museen gerne als Ausrede. Sie brauchen die kostbaren Stücke nur während des Aufenthalts auch einmal zu röntgen, und schon haben sie ein gutes Argument, um die Verschickung zu rechtfertigen, klärt Hublin auf.
WENN DER BERG ZU MOSES KOMMT …
So war nicht jeder glücklich, als die Max-Planck-Wissenschaftler anreisten, den mit Blei verkleideten Container aufbauten und ihren 1,5 Tonnen schweren Röntgenscanner installierten. Denn es war klar: Wenn der Leipziger Scanner zu den Fossilien kommt, müssen die Fossilien von nun an nie mehr zu einem anderen Scanner kommen. Das bequeme Argument der Vergangenheit ist dahin. Trotzdem gelang es Hublin bislang immer, die Genehmigung zu bekommen. Bei den verantwortlichen Wissenschaftlern an den Museen stießen die Leipziger Esperten sowieso überall auf offene Ohren – und auf viele helfende Hände, auch bei den Kollegen an der wissenschaftlichen Abteilung des Nairobi National Museum.
Längst ist das Team zurück in Leipzig, im Gepäck zehn Terabyte an Daten – etwa so viel, wie in 20 normale PC passt. „Daten aus dem Computertomographen sind noch keine Bilder, nur eine riesige Menge von Zahlen”, erläutert Hublin. Am heimischen Institut begann nach der Rückkehr die eigentliche Arbeit: die Rekonstruktion der Rohdaten. Die tomographischen Schnittbilder wurden mit Grafikprogrammen bearbeitet, um sie in räumliche Strukturen umzusetzen. Ein einzelner Rechner hätte sechs bis acht Wochen dafür gebraucht, deshalb liefen am MPI-EVA zehn Computer gleichzeitig. Sie rechneten insgesamt „nur” eine Woche, um die 70 000 Schichtbilder, in die das Gerät vor Ort den Schädel von „ Turkana Boy” zerlegt hatte, zu einem beliebig drehbaren 3D-Objekt zusammenzusetzen. Bald geht der „fliegende Scanner” wieder auf Reisen: Als Nächstes steht das Museum von Addis Abeba auf dem Programm.
Äthiopiens berühmteste Urzeit-Lady werden die Leipziger allerdings nicht zu Hause antreffen: „Lucy” tourt durch die USA – und das sechs Jahre lang. In elf US-Städten werden die drei Millionen Jahre alten Fossilien dieses Australopithecus afarensis ausgestellt, zuerst im Museum for Natural History in Houston. Das Fachblatt „Science” nennt den Hintergrund für das, was viele Paläoanthropologen als Wahnsinn empfinden: ein mit dem äthiopischen Ministerium für Kultur und Tourismus abgeschlos- sener „Multimillionen-Dollar-Vertrag”. ■
NADINE ECKERT hat Biologie studiert und arbeitet als Wissenschaftsjournalistin in Köln. Die Recherche für diesen Beitrag verhalf ihr zu einer Reise ins Innere eines Neandertaler-Backenzahns. Fotograf VOLKER STEGER begleitete die Leipziger Forscher auf ihrem Scanning- Trip zum National- museum in Nairobi.
von Nadine Eckert
Hauchdünne Scheiben, verklebter Gips
Nur für industrielle Qualitätskontrolle gebaute Computertomographen haben den Scharfblick, der für die Analyse von fossilen Zähnen und Knochen nötig ist. Die Geräte des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig liefern eine Auflösung bis zu 0,8 Mikrometern – das heißt: Pro Millimeter des gescannten Objekts entstehen 1250 Schnittbilder.
Computertomographen können allerdings nur in Räumen betrieben werden, deren Wände, Decke und Boden durch einen Zentimeter Blei abgeschirmt sind. Hier lag das größte Problem für die Leipziger, um ihre Geräte weltweit mobil zu machen: Wie reist man mit einer Strahlenschutz-Bleikammer? Sie lösten es durch entsprechenden Ausbau eines am Ende zwölf Tonnen schweren, bleiummantelten Schiffscontainers.
Darin durchleuchtet eine Röntgenquelle das Objekt, das auf einem Drehteller liegt, Schicht für Schicht aus verschiedenen Richtungen. Abhängig von der Dichte der durchleuchteten Strukturen wird der Röntgenstrahl unterschiedlich stark abgeschwächt. Detektoren fangen das Signal auf, verarbeiten es elektronisch und leiten es an einen Computer weiter. Von jeder Schicht entstehen so mehrere Ansichten, die der Computer zu einem Graustufenbild umrechnet. Die zweidimensionalen Graustufenbilder setzt der Rechner dann zu einem dreidimensionalen virtuellen Objekt zusammen.
Doch manchmal will ein Forscher das untersuchte Objekt in Händen halten. Um außer dem 3D-Datenmodell auch diese „ Touch-and-feel”-Information zu bekommen, nutzen die Leipziger das Rapid Prototyping mit einem 3D-Drucker. Der Druckkopf gleitet über eine Schicht Gipspulver und sprüht entsprechend der Form des rekonstruierten Objekts ein durchsichtiges Bindemittel auf, das den Gips an den gewünschten Stellen verkleben lässt. Schicht für Schicht wird das Objekt zusammengesetzt und liegt schließlich als fester Körper im Gipspulver (siehe Bilder auf Seite 27).
KOMPAKT
· Fossile Knochen und Zähne, die Arbeitsgrundlage der Paläoanthropologen, liegen oft unerreichbar in Museumssafes.
· Max-Planck-Forscher nehmen jetzt vor Ort Schnittbilder der Fossilien auf, um daraus virtuelle Kopien zu erzeugen.
· Die Kopien machen das Menschheitserbe wieder allgemein zugänglich.
