Die Evolution vom Reptil zum Säugetier

Heute besteht ein Säuger-Gebiss aus Schneidezähnen zum Beißen, Eckzähnen zum Stechen oder Reißen sowie kleinen und großen Backenzähnen zum Knochenknacken und Zerkauen von Nahrung. Die einen können damit selbst zähe Gräser kauen, andere damit erfolgreich jagen und ihre Beute fressen – Dimetrodon bevorzugte damals kleinere Wirbeltiere und Insekten.

Ohne Bauchrippen schneller unterwegs

Manche ursprünglichen Synapsiden hatten noch Bauchrippen (Gastralia) – dünne Knochenstreben, die die Reste des ursprünglichen Hautknochenpanzers der Reptilien bildeten. Frühen Synapsiden, die noch mit weit seitlich abgespreizten Beinen nahe am Boden krochen, boten die Bauchrippen Schutz für den weichen Unterleib.

Dieses urtümliche Merkmal verlor sich jedoch bereits im Perm. Stattdessen wurden Organe wie Herz und Lunge vom Brustkorb umschlossen, während die im Bauch liegenden Organe wie Magen und Darm von umliegenden Muskeln gehalten wurden. Damit war der Bauchbereich zwar weniger geschützt, aber die leichteren Tiere konnten flexiblere und aufrechtere Körperhaltungen einnehmen und wurden agiler. Synapsiden wie die Cynodonten („Hundszähner“ – in Anspielung auf ihre großen Eckzähne) und die ebenfalls säbelzahnigen Gorgonopsiden waren ohne Bauchrippen schneller als viele andere Zeitgenossen.

Fressen und atmen mit dem zweiten Gaumendach

Im Maul des fuchsgroßen Cynodonten Thrinaxodon lag ein geschlossener sekundärer Gaumen, der Nasengänge und Rachen voneinander trennte. Das Gebiss deutet darauf hin, dass diese Art Insekten, kleine Pflanzenfresser und Wirbellose jagte.

Bei älteren Reptilien fanden Atmen und Fressen in einer einzigen großen Mundhöhle statt – damit war es schwierig, während des Fassens, Totbeißens und Fressens der Beute Luft zu holen. So entwickelten Synapsiden schon im Perm als Problemlösung eine neue knöcherne Platte unterhalb des Munddachs, die den Nasen- vom Mundraum trennte: den sekundären Gaumen.

Gerade bei jagenden Arten war dies eine erhebliche Effizienzsteigerung – wie bei Thrinaxodon.

Synapsiden mit Haltung

Frühe Säugetier-Vorfahren wie Dimetrodon bewegten sich ähnlich wie Warane, mit seitlich abgespreizten Beinen und dem Bauch dicht über dem Boden. Manche konnten zwar kurze Sprints einlegen, aber insgesamt waren sie weder schnell noch ausdauernd.

Einige Synapsiden-Gruppen entwickelten schon im Perm eine aufrechtere Körperhaltung: Ihre Beine standen nun säulenartig unter dem Körper, was sie höher vom Boden abhob. Ihre Wirbelsäule bewegte sich dadurch beim Laufen nicht mehr seitlich schlängelnd, sondern auf und ab. Das machte sie schneller und ausdauernder – ein Vorteil bei Nahrungssuche und Flucht. Besonders die Cynodonten perfektionierten dieses Laufmuster in der Trias. Hier wurde es zu einem entscheidenden Vorteil und legte die Grundlage für die Fortbewegung heutiger Säugetiere. Einer dieser neuartigen aufrechten Läufer war Trucidocynodon. Im Schultergürtel des in Brasilien gefundenen Trucidocynodon konnten Paläontologen diese Umformungen besonders gut analysieren. Außerdem zeigte die biomechanische Analyse, dass dieser Cynodont vermutlich sogar schon auf den Zehenspitzen lief – wie ein Sprinter. Mit einem Schädel von 18 Zentimetern und einem Körper von 120 Zentimetern erreichte er eine ansehnliche Größe und war offenbar ein erfolgreicher Jäger.

Aus dem Unterkiefer wird ein Ohr

Von dem jurassischen Säugetier Hadrocodium ist nur ein 13 Millimeter winziger Schädel bekannt. Das ganze Tierchen war vermutlich nicht größer als eine Büroklammer. Das bisher einzige bekannte Exemplar wurde 1985 in China entdeckt und dann jahrelang freipräpariert. Ausgerechnet in diesem Mini-Schädel fanden Paläontologen besonders gut fossilisierte Mittelohrknochen – damit konnten sie nachweisen, dass deren Entwicklung über 45 Millionen Jahre früher einsetzte als bis dahin angenommen.

Die komplexe Ohr-Anatomie und der Hörsinn sind eines der wichtigsten Säugetier-Merkmale. Doch für ihre Entwicklung musste erst der Kiefer umgebaut werden: Die Unterkiefer der frühesten Synapsiden bestanden noch aus mehreren Knochen. Hinter dem Unterkieferknochen, der die Zähne trug, schloss sich eine Reihe kleinerer Knochen an, die schließlich zum Kiefergelenk führten. Im Laufe der Zeit wurde der zahntragende Knochen immer größer und schließlich zum alleinigen Unterkiefer. Dabei bildete sich an dessen hinterem Ende ein neues, sekundäres Kiefergelenk.

Das neue stabilere Kiefergelenk war der Dreh- und Angelpunkt für einen stärkeren Biss. Die beim Kauen nicht mehr belasteten Kieferknochen schrumpften und übernahmen eine neue Funktion: Ihre Überreste sind die schallleitenden Gehörknöchelchen Amboss, Hammer und Steigbügel im Säugetier-Mittelohr.

Für die meist kleinen und oft nachtaktiven Säugerartigen der Jurazeit waren sehr gute Ohren ein Vorteil gegenüber den oft größeren Sauriern – auch für Hadrocodium. Diese Säugerartigen sind ein Übergangsbereich und haben sowohl ursprüngliche als auch moderne Merkmale – darum ordnen manche Forschende sie schon als Säugetiere ein, andere eher als Proto-Säugetiere, also Vorläuferformen.

Als (knöcherne) Augenringe aus der Mode kamen

Das otterähnlich lebende Kayentatherium lebte vor rund 180 Millionen Jahren im heutigen Arizona, USA. Die kurzen breiten Extremitäten und die Schwanzform deuten auf gute Schwimmfähigkeiten hin. Und dieser Cynodont zeigte schon eine moderne Eigenschaft: die altertümlichen knöchernen Augenringe fehlten.

Solche Skleralringe gibt es bei vielen Fischen, Amphibien, Reptilien und Vögeln. Bei frühen Synapsiden bestand der Ring meist aus 14 bis 15 dünnen Knochenplättchen. Die Iris ist außen am Skleralring befestigt, die Linse innen aufgehängt. Diese Struktur verstärkt und schützt das empfindliche Auge, besonders bei tauchenden oder fliegenden Tieren, vor Druckunterschieden. Im leicht gebauten Vogelschädel stützt der Skleralring bis heute den Augapfel und ist ein Ansatzpunkt für die Augenmuskeln.

Als aus den Synapsiden schließlich die ersten Säugetiere hervortraten, gingen die Skleralringe verloren. Paläontologen vermuten, dass der evolutive Trend der frühen Säugetiere zu kleinen Körpern die stützende Funktion des Skleralrings überflüssig machte. So ist er heute bei Säugern nur noch als Relikt bei den sehr ursprünglichen, eierlegenden Schnabeltieren und Schnabeligeln Australiens und Neuguineas vorhanden. Bei höheren Säugetieren hingegen fehlt er ganz.

Fell und Schnurrhaare bilden sich

Der nur zehn Zentimeter kleine Säuger Eomaia kletterte vermutlich in Bäumen umher. Eomaia gehört zu den seltenen Säugetier-Fossilien, bei denen das Fell fossilisierte. Der Fundort in der chinesischen Provinz Liaoning besteht aus feiner Vulkanasche und ist bekannt für die Konservierung kleiner Details und auch weicher Körperbestandteile wie Fell und Schnurrhaare, die normalerweise verloren gehen. So hat der Vulkanausbruch den ältesten bekannten Nachweis von Fell und Schnurrhaaren bei der kleinen Eomaia ermöglicht.

Schnurrhaare sind meist dicker und länger und in bestimmten Körperteilen wie der Schnauze konzentriert – so lassen sie sich auch bei Fossilien vom restlichen Fell unterscheiden. Mit solchen Sinneshaaren nehmen Säuger taktile, also mechanische Reize auf – Mäuse spüren feinste Luftbewegungen, während Robben über Wasserverwirbelungen ihrer Beute folgen.

Auch ohne Nachweis fossilen Flauschs werten manche Paläontologen die Gehirnproportionen einiger Fossilien als Indizien, dass manche Säuger-Vorfahren schon vor etwa 240 Millionen Jahren Fell und Schnurrhaare ausbildeten. Ein isolierendes Fell und Schnurrhaare, die bei der Orientierung in der Dunkelheit helfen, hätten den meist noch kleinen Tieren ermöglicht, ein Leben im Schutz der kühlen Nacht zu führen und damit den tagaktiven größeren Dinosauriern zu entgehen – vermutlich auch Eomaia.

Muttermilch als Power-Babynahrung

Das Säugen der Jungtiere mit Milch ist für Säugetiere namensgebend. Sogar das eierlegende Schnabeltier produziert Milch, indem es die proteinreiche Substanz aus Bauchdrüsen absondert, die die Jungen aus dem Fell der Mutter lecken. Mit diesem Kraftfutter kann der Nachwuchs schnell wachsen.

Der Zeitpunkt der Entwicklung dieser Milchproduktion ist fossil sehr schwierig nachweisbar. Einige Experten halten diese Fähigkeit für sehr alt. Vielleicht haben die echsenartigen Ursäugetiere eine proteinreiche Flüssigkeit aus Bauchdrüsen abgesondert, um ihre Eier auf dem trocknen Land feucht zu halten. Im Laufe der Zeit veränderte sich die Flüssigkeit, wurde proteinreicher und gewann neue Verwendungszwecke: Sie ernährte Jungtiere, die aus Eiern schlüpften oder lebend geboren wurden, und half ihnen, schneller zu wachsen.

Sunnyodon lebte in der Unterkreide, vor rund 120 Millionen Jahren, im heutigen südlichen England und in Dänemark. Die nagetierartigen Kleinsäuger gehören zu den Multituberculaten, eine Säugetier-Gruppe mit spezifischen Höckern auf den Kauflächen der Zähne. Multituberculata waren evolutiv erfolgreich und existierten über einen sehr langen Zeitraum hinweg, etwa von 165 bis vor 35 Millionen Jahren. Mikrostruktur-Analysen ihrer Knochen zeigen ein ähnlich schnelles Knochenwachstum, wie andere Säuger – Sunnyodon und seine Verwandten säugten ihre Nachkommen vermutlich schon mit Milch. Die Geburt gut entwickelter Nachkommen und die Brutpflege waren evolutionäre Vorteile gegenüber anderen Gruppen.

So wurden Tiere leichter, schneller und ausdauernder, konnten besser (zu)beißen und kauen und dabei gleichzeitig Luft schnappen. Dazu kamen ein wärmendes Fell, ein guter Hörsinn sowie die Power-Babynahrung für die lebend geborenen Jungen. Damit überlebten die Säuger-Vorfahren viele Krisen und die ursprünglich kleinen Säuger konnten sich, oft im Schutz der Nacht, auch während der Herrschaft der Dinosaurier behaupten. Aus dem Kreide-Tertiär-Massensterben gingen sie als Gewinner hervor und begannen ihren Aufstieg zu Land, zu Wasser und in der Luft – bis heute.