Nahrungsrekonstruktion fossiler Arten Was fraßen Dinosaurier? Isotopenanalyse unterscheidet Fleisch- und Pflanzenfresser

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Die Ernährungsgewohnheiten längst ausgestorbener Reptilienarten lassen sich anhand ihrer Fossilien rekonstruieren. Dafür haben Forscher nun einen neuen Referenzrahmen entwickelt, beruhend auf den Isotopenverhältnissen von Kalzium und Strontium. So lassen sich die Ernährungskategorien von Insektenfressern bis zu Fleisch- und Pflanzenfressern differenzieren.

Wie kam es in der Evolution zur Ausbildung von Fleischfressern und Pflanzenfressern? Wie haben sich ausgestorbene Wirbeltiere ernährt? Und wie können wir etwas über ihre Ernährung in Erfahrung bringen? Bei lebenden Tieren lässt sich beobachten, wovon sie sich genau ernähren. Im Fall von ausgestorbenen Arten ist die Wissenschaft auf morphologische oder chemische Informationen aus den Fossilien angewiesen.

Forschende um Prof. Dr. Thomas Tütken von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben Fossilien sowie heute lebende Reptilien untersucht und Daten gesammelt, mit deren Hilfe sich künftig die Ernährungsgewohnheiten ausgestorbener Reptilienarten leichter abschätzen lassen. „Mit unserem Reptilienreferenzrahmen haben wir ein Instrumentarium zur Hand, um die Ernährung ausgestorbener Tiere wie Dinosaurier besser als bisher zu rekonstruieren“, sagt Tütken. Ein solcher Vergleichsdatensatz habe bisher gefehlt.

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Hunderte Millionen Jahre alte Ernährungsgewohnheiten entschlüsseln

Reptilien zeigen heute eine breite Palette von Ernährungspräferenzen, die von pflanzen- bis zu tierfressenden Gewohnheiten reicht. Aber auch Ernährungsspezialisierungen kommen vor: Meerechsen, die sich von Algen ernähren, insektenfressende Chamäleons, Krustenechsen, die Eier bevorzugen, oder Spitzenprädatoren wie das Leistenkrokodil und der Komodowaran, die komplett auf Fleisch setzen. „Diese Vielfalt erschwert die Rekonstruktion von Ernährungspräferenzen bei ausgestorbenen Tieren“, betont Tütken, Paläontologe am Institut für Geowissenschaften der JGU.

Das früheste bekannte Reptil ist Hylonomus, das einer Eidechse ähnelte und vor rund 315 Millionen Jahren im heutigen Kanada lebte. Die frühen Reptilien weisen häufig gemeinsame Merkmale in der Morphologie ihres Schädels, Kiefers und der Zähne auf, die auf eine Tendenz zur insektenfressenden Ernährung hindeuten. Der genaue Zeitpunkt der Ernährungsumstellung von Insekten- zu Fleisch- und Pflanzenfressern in der Erdgeschichte ist jedoch unklar.

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28 Reptilienarten als Basis für den geochemischen Referenzrahmen

Für die Rekonstruktion der Ernährung sowohl bei ausgestorbenen als auch bei lebenden Wirbeltierarten kann nun der neue Referenzrahmen der Forscher genutzt werden. Dazu hat die Gruppe um Tütken 28 lebende Reptilienarten herangezogen und Kalzium- sowie Strontiumisotope in deren Knochen und Zähnen analysiert, die mit ihrer Ernährungsweise systematisch variieren.

„Um einen umfassenden Bezugsrahmen zu schaffen, haben wir Reptilien mit ausgeprägtem pflanzen- beziehungsweise tierfressendem Verhalten ausgewählt, aber auch Nahrungsspezialisten“, beschreibt Tütken. Der Wissenschaftler nennt als Beispiele Alligatoren, Warane, Leguane und Chamäleons. Im Falle von Kalzium wurden insbesondere die Isotope Kalzium-44 und Kalzium-42 bestimmt. Es zeigte sich, dass mit jedem Schritt in der Nahrungskette das Verhältnis von Kalzium-44 zu Kalzium-42 abnimmt. „Insektenfresser weisen also die höchsten Werte auf und unterscheiden sich deutlich von anderen Ernährungskategorien“, erklärt Dr. Michael Weber, Erstautor der Studie. In der Rangliste folgen Pflanzenfresser und Fleischfresser mit dem niedrigsten Isotopenverhältnis. Besondere Ernährungsweisen, etwa von marinen Leguanen oder von Eierfressern, können ebenfalls detektiert werden.

Auch Strontiumisotope wurden analysiert

Ein vergleichbares Bild zeigen die Ergebnisse für das Isotopenverhältnis von stabilem Strontium-88 zu Strontium-86 derselben Arten und liefern zusätzlich verfeinerte Informationen über die Ernährung. „Wir haben erstmals einen umfangreichen Referenzrahmen für stabile Strontiumisotope als Ernährungsproxy erstellt. Er deckt sich weitgehend mit den aus den Kalziumisotopen bestimmten Ernährungsformen“, berichtet Dr. Katrin Weber, Mitautorin und ehemalige Doktorandin der AG Tütken an der JGU. „Allerdings sind im Gegensatz zu Kalzium nur sehr geringe Mengen Strontium in Zähnen oder Knochen enthalten, die zudem der Veränderung bei Bodenlagerungsprozessen unterliegen, sodass die Anwendung bei Fossilien ausgestorbener Arten zum Teil problematisch ist und Kalzium hier eine bessere Perspektive bietet.“

Ein weiteres Ergebnis der Analysen ist, dass das Kalziumisotopenverhältnis für Reptilien im Vergleich zu Säugetieren – hier besteht bereits ein Referenzrahmen – bei gleicher Ernährungsweise höher ausfällt, was eventuell mit verschiedenen physiologischen Faktoren erklärt werden könnte. Das zeigt allerdings auch, dass die Daten für Säugetiere nicht ohne Weiteres zum Vergleich mit ausgestorbenen Reptilienarten wie Dinosauriern herangezogen werden können.

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Zusätzliche Ernährungshinweise durch Abnutzungsspuren an den Zähnen

Neben chemischen Nahrungsspuren wurde mit mechanischen Abnutzungsspuren an den Zähnen, die durch die Nahrung entstanden sind, ein weiterer Baustein hinzugezogen, um künftige Rekonstruktionen zu ergänzen: Ob ein Tier hartes oder weiches Futter zu sich genommen hat, kann anhand von Kratzspuren an der Zahnoberfläche unterschieden werden und damit zusätzlich Auskunft über die Ernährung von ausgestorbenen Arten liefern. Diese Daten wurden zuvor im Rahmen einer Kooperation mit Dr. Daniela Winkler, heute an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, an Zähnen derselben modernen Reptilien erhoben und mit den Isotopendaten kombiniert. Sie erlauben es, Tierfresser, die größere Mengen an abrasiven Hartgeweben wie Schalen oder Knochen mitfressen, von solchen Tieren zu unterscheiden, die überwiegend Weichgewebe fressen.

„Um die Daten chemischer und mechanischer Nahrungspuren von fossilen Exemplaren vollständig zu verstehen und zu interpretieren, mussten wir zunächst heute lebende, eng verwandte Arten mit ihren bekannten Ernährungsgewohnheiten untersuchen. So haben wir einen Referenzrahmen für den Vergleich und die genaue Zuordnung der Ernährung erhalten, damit wir in Zukunft das Ernährungsverhalten ausgestorbener Arten noch präziser rekonstruieren können“, fasst Tütken zusammen. Der Wissenschaftler erhielt im Jahr 2016 einen ERC Consolidator Grant für sein Forschungsprojekt zur Ernährung der ersten Landwirbeltiere, mit dem auch die jetzt vorgelegte Arbeit unterstützt wurde.

Originalpublikation: M. Weber et al.: Calcium and strontium isotopes in extant diapsid reptiles reflect dietary tendencies – a reference frame for diet reconstructions in the fossil record, Proceedings of the Royal Society B 292: 2038, 8. Januar 2025; DOI: 10.1098/rspb.2024.2002

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