Klimaschwankungen treiben den evolutionären Wandel möglicherweise nicht so stark voran wie bisher angenommen

Eine neue Studie, in der Klimadaten mit fossilen Aufzeichnungen großer Säugetiere, die in den letzten 4 Millionen Jahren in Afrika lebten, kombiniert wurden, lässt Zweifel an der seit langem vertretenen Hypothese aufkommen, dass wiederholte Klimaveränderungen die Evolution der Säugetiere, einschließlich der menschlichen Vorfahren, maßgeblich beeinflusst haben.

Die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie liefert eine afrikaweite Synthese der Umweltvariabilität während des Plio-Pleistozäns, eines Zeitraums in der Erdgeschichte, der sich über die letzten 5 Millionen Jahre erstreckt und die letzte Eiszeit vor etwa 20.000 Jahren einschließt.

Die Studie zeigt, dass die Umweltvariabilität während dieser Zeit Veränderungen in der Erdumlaufbahn und der Ausrichtung der Erde zur Sonne widerspiegelt, wie sie durch ein natürliches Phänomen, die sogenannten Milankovic-Zyklen, vorhergesagt werden. Diese Zyklen setzen unseren Planeten einer unterschiedlichen Intensität der Sonneneinstrahlung aus, was zu gut dokumentierten, zyklischen Auswirkungen auf das Klima der Erde in verschiedenen Häufigkeiten führt.

Die Forscher beobachteten einen langfristigen Trend zunehmender Umweltvariabilität in Afrika, der auf Schwankungen des globalen Eisvolumens und der Meerestemperatur zurückzuführen ist. Die Ergebnisse ergaben jedoch keine signifikante Korrelation zwischen Umweltschwankungen und der Häufigkeit der Entstehung oder des Aussterbens von Arten, was darauf hindeutet, dass Umweltschwankungen und Artenfluktuation möglicherweise nicht eng miteinander verbunden sind – ein Gedanke, der in der wissenschaftlichen Gemeinschaft weithin diskutiert wird.

Die Idee, dass langfristige Trends zu einem feuchteren oder trockeneren Klima die menschliche Evolution vorantreiben könnten, geht auf Charles Darwin zurück, so der Erstautor der Studie, Andrew Cohen, Professor an der Fakultät für Geowissenschaften und der Fakultät für Ökologie und Evolutionsbiologie der Universität von Arizona. Eine wesentliche Änderung trat in den späten 1990er Jahren ein, als die einflussreiche Hypothese der Variabilitätsselektion in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eingeführt wurde.

„Die Idee dahinter ist, dass nicht nur die Richtung des Klimawandels für die evolutionäre Neuartigkeit der Homininen wichtig war, sondern auch die Variabilität der Umwelt- und Klimabedingungen“, erklärt Cohen. „Da unsere Vorfahren mit sich schnell verändernden Bedingungen konfrontiert waren, legt diese Hypothese nahe, dass sie einfallsreicher sein mussten und in der Lage waren, mit vielen verschiedenen Eventualitäten umzugehen, was wiederum dazu führte, dass neue Arten auftauchten, während andere ausstarben.“

In der aktuellen Studie analysierten die Forscher Proben aus Sedimentkernen von Seeböden, Ozeanböden und terrestrischen Aufschlüssen von 17 Orten auf dem afrikanischen Kontinent und den umliegenden Gebieten. Die Umweltdaten wurden durch die Analyse von Pollen, versteinerten Algen, Staub, Blattwachsen, Bodenisotopen und anderen physikalischen Eigenschaften gewonnen, die Aufschluss über die Art der Vegetation und die Umweltbedingungen an dem Ort geben, an dem sie abgelagert wurden. Um die Daten dieser sehr unterschiedlichen Arten von Aufzeichnungen zu kombinieren und das zugrundeliegende Muster der Klimaschwankungen herauszufinden, musste das Team laut Cohen eine große Herausforderung bewältigen: Wie kann man die Schwankungen quantifizieren und von einem Probenahmeort zum anderen vergleichen?

„Das ist nicht trivial, denn auf der einen Seite gibt es Aufzeichnungen über fossile Pollen, die Aufschluss darüber geben, wie variabel die Vegetation war, auf der anderen Seite gibt es Aufzeichnungen über sich verändernde Seespiegel und wieder auf der anderen Seite gibt es Aufzeichnungen über Staub, der auf den Ozean geblasen wird“, sagte er. „Wir brauchten eine Möglichkeit, nicht nur einen Datensatz zu betrachten, sondern all diese verschiedenen Arten von Referenzdaten übereinander zu legen, um den Rhythmus der Variabilität herauszufinden.

Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher statistische Methoden, die es ihnen ermöglichten, „Äpfel mit Birnen zu vergleichen“, erklärte Cohen, und ordneten die Datenpunkte der Klimaaufzeichnungen Zeiträumen zu, die 20.000, 100.000 und 400.000 Jahre umfassen. Nachdem die einzelnen Datensätze der Variabilitätswerte in jedem Bereich standardisiert worden waren, konnte das Team sie „stapeln“ und einen Durchschnittswert der Variabilität für jeden Zeitraum berechnen.

Die Klimadaten wurden dann direkt mit den fossilen Aufzeichnungen von großen Säugetieren – hauptsächlich Boviden, einer Familie, zu der Antilopen und andere große Pflanzenfresser gehören – aus Ostafrika verglichen. Die Forscher konzentrierten sich in erster Linie auf große Pflanzenfresser, weil Fossilien von menschlichen Vorfahren zu selten sind, um für einen solchen Ansatz nützlich zu sein.

„Ich würde nicht sagen, dass man alle (Hominin-Fossilien) in einen Schuhkarton packen könnte, aber sie sind immer noch nicht so häufig“, sagte Cohen, „also beschlossen wir, uns andere Organismen mit einem besseren Fossilnachweis anzusehen, denn es gibt keinen Grund anzunehmen, dass nur unsere engsten Verwandten, unsere Hominin-Vorfahren, von Klimawandel und -variabilität betroffen sein sollten.

„Wenn Klimaschwankungen eine wichtige Triebkraft für die Evolution sind, sollten sie auch die Evolution anderer großer Säugetiere beeinflussen“, fügte er hinzu. „Denken Sie zum Beispiel an die Eisbären und wie sie vom derzeitigen Klimawandel betroffen sind“.

Die Autoren wandten eine Methode aus der modernen Populationsbiologie an, um eine Verzerrung zu berücksichtigen, die Paläontologen seit langem plagt: die inhärente Unvollständigkeit des Fossilnachweises, die der zweite Autor der Studie, Andrew Du, mit einem Block Schweizer Käse illustriert. Würde man eine Kernprobe durch den Käse bohren, würde sie dort Lücken aufweisen, wo der Kern auf ein Loch im Käse trifft. In ähnlicher Weise weist der Fossilnachweis einer Art Lücken auf, d. h. Zeiträume, in denen keine Fossilien gefunden wurden, unterbrochen von Zeiträumen, in denen es Fossilien gibt. Das macht es sehr schwierig, genau zu bestimmen, wann eine Art im Fossilbericht entstanden und wann sie ausgestorben ist.

Um diese Einschränkung zu umgehen, wandte Du eine Technik an, die als „Fangen, Markieren und Wiedereinfangen“ bekannt ist und häufig von Wildbiologen bei der Untersuchung von Tierpopulationen eingesetzt wird: Nachdem ein Tier gefangen wurde, wird es zur Identifizierung markiert und wieder in die freie Wildbahn entlassen. Bei einer späteren Untersuchung vergleichen die Wissenschaftler den Anteil der markierten mit dem der nicht markierten Tiere. Mithilfe von Statistiken können sie sich so ein Bild von der Größe und Struktur der Gesamtpopulation machen.

Du, Assistenzprofessor an der Fakultät für Anthropologie und Geografie der Colorado State University, erklärte, wie die Technik in fossilen Systemen funktioniert.

„Nehmen wir an, wir sehen das Auftreten einer neuen Art im Fossilbericht in der ersten Periode, dann finden wir ein anderes Fossil derselben Art in der zweiten Periode, wir vermissen sie in der dritten Periode, aber wir sehen sie wieder in der vierten Periode“, sagte er. „Das sagt uns, dass wir die Art im dritten Zeitabschnitt zwar nicht gesehen haben, aber wissen, dass sie da war. Dies gibt uns eine Vorstellung von der Qualität der Fossilienaufzeichnungen in bestimmten Zeiträumen, und wir können diese Qualität bei der Schätzung von Artenbildung und Aussterberaten berücksichtigen.

Die Zusammenführung all dieser Datensätze ermöglichte es den Forschern, Muster der Umweltvariabilität und ihre Beziehung zur Entstehung von Säugetierarten und deren Aussterberaten zu vergleichen.

„Insgesamt gab es in den letzten 3,5 Millionen Jahren einen langfristigen Trend zu einer zunehmenden Variabilität in der Umwelt“, sagte er. „Dieser Trend geht mit der zunehmenden Variabilität des globalen Eisvolumens und der Meeresoberflächentemperaturen um Afrika einher. Darüber hinaus haben wir einen weiteren Trend festgestellt: Sobald wir in die Eiszeiten kommen, sehen wir mehr Höhen und Tiefen; die Schwankungen werden größer und größer und größer, was das Wachsen und Schwinden der Eisschilde widerspiegelt, und diese Variabilität folgt den 400.000-jährigen Milankovic-Zyklen.“

Gleichzeitig scheinen die fossilen Aufzeichnungen über die Entstehung und das Aussterben von Arten großer Pflanzenfresser sowie die Fossilien von Homininen von diesen Klimavariabilitätstrends abgekoppelt zu sein. Die Autoren räumen ein, dass die Hypothese der Variabilitätsselektion zwar immer noch richtig sein könnte, aber in anderen Maßstäben funktioniert. Sie hoffen, die wissenschaftliche Gemeinschaft zu ermutigen, die Hypothese der Variabilitätsselektion kritischer zu betrachten, „anstatt sie einfach als grundlegendes Prinzip für die Betrachtung der Fossilien in Afrika und insbesondere der menschlichen Fossilien zu akzeptieren“, so Cohen.

„Wir sagen nicht, dass Umweltvariabilität für die menschliche Evolution nicht wichtig ist, aber die Daten, die wir derzeit zusammengestellt haben, widersprechen dieser Vorstellung“, sagte er. „Wenn die Umweltvariabilität so wichtig wäre, wie sie dargestellt wird, würden wir erwarten, dass sich dieser langfristige Trend der zunehmenden Variabilität in der evolutionären Entwicklung aller Arten, einschließlich der Homininen, widerspiegelt, aber das sehen wir einfach nicht.

Datum: April 11, 2022
Quelle: Universität von Arizona


Journal Reference:

  1. Andrew S. Cohen et al. Plio-Pleistocene environmental variability in Africa and its implications for mammalian evolutionPNAS, 2022 DOI: 10.1073/pnas.2107393119

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