Nur weil Kinder Tyrannosaurus bevorzugen, kann es sein, dass der Prozess der biologischen Evolution missverstanden wird!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ye Shan (PhD in Geowissenschaften, University of Wisconsin-Madison)

Hersteller: China Science Expo

Dinosaurier sind vor 66 Millionen Jahren verschwunden, doch angetrieben durch Filme, Comics und Science-Fiction-Romane hält das „Dinosaurierfieber“ auf der ganzen Welt an. Es gibt viele Arten von Dinosauriern und jeder, der Dinosaurier mag, hat wahrscheinlich seinen eigenen Favoriten. Jemand hat eine grobe Umfrage unter Grund- und Mittelschülern in den Vereinigten Staaten und Kanada durchgeführt und herausgefunden, dass der beliebteste Dinosaurier unter den Kindern dort der wilde Tyrannosaurus ist.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Aber wissen Sie es? Die Liebe der Kinder zu Tyrannosaurus-Fossilien könnte die Forschung der Wissenschaftler zu den Veränderungen der Dinosauriervielfalt beeinflusst haben ...

Angesichts dessen könnten Sie denken, dass es in diesem Artikel um paläontologische Themen geht, aber da liegen Sie völlig falsch. Tatsächlich handelt es sich hierbei um ein statistisches Problem. Lassen Sie mich erklären, warum.

Statistische Konzepte in der paläontologischen Forschung: Stichprobenverzerrung

Die Erforschung der Vielfalt urzeitlicher Organismen ist eine wichtige Aufgabe für Paläontologen, da sie uns helfen kann, den Prozess der biologischen Evolution zu verstehen.

Im Jahr 1860 vollbrachte der Brite John Phillips eine „Kunstleistung“. Er fasste alle damals weltweit bekannten Fossilien zusammen, zählte für jedes Fossil die Altersangaben und paläontologischen Arten und zeichnete dann eine Kurve, die die Veränderungen der paläontologischen Vielfalt während des gesamten Phanerozoikums (vor 541 Millionen Jahren bis heute) widerspiegelte.

John Phillips Diversity Curve

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Er entdeckte, dass die Evolution des Lebens während des Phanerozoikums nicht reibungslos verlief, sondern zwei große Rückschläge erlebte. Diese beiden Niedergänge unterteilten die Evolutionsgeschichte des Phanerozoikums in drei Perioden. Basierend auf dem Vorschlag von Mantell (dem ersten Entdecker der Dinosaurier) nannte Phillips die drei Stadien Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum.

Nach Phillips‘ Pionierarbeit haben viele andere ähnliche Versuche unternommen. Da weltweit immer mehr Fossilien ausgegraben werden, wird diese Kurve immer detaillierter. Im Jahr 1984 trugen David Raupp und Jack Sepkoski von der University of Chicago Daten zu Meeresfossilien aus der ganzen Welt zusammen und erstellten eine Kurve der marinen Biodiversität während des gesamten Phanerozoikums mit höherer Auflösung.

Jack Sepkoski Diversity Curve

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

In dieser neuen Kurve entdeckte Sepkoski fünf sehr offensichtliche Perioden des Diversitätsrückgangs, die im späten Ordovizium, späten Devon, späten Perm, späten Trias und späten Kreidezeit auftraten. Dies sind die „fünf Massenaussterbeereignisse“. Andere Wissenschaftler bestätigten diese Arbeit und gelangten zu ähnlichen Ergebnissen, sodass die Theorie von fünf Massenaussterben schnell breite Akzeptanz fand.

Mit der fortschreitenden Vertiefung der geowissenschaftlichen Forschung hat eine neue Generation von Wissenschaftlern jedoch nach und nach einige Fragen aufgeworfen: So könnte es in der Forschung von Sepkoski und anderen zu statistischen Stichprobenverzerrungen kommen.

Haben Sie Angst vor falschen Statistiken?

Statistik ist eine Disziplin mit einem breiten Anwendungsspektrum. Ob im Bereich der Naturwissenschaften oder der Sozioökonomie: Wissenschaftler müssen statistische Methoden zur Datenverarbeitung einsetzen, um die hinter den Zahlen verborgenen Muster zu entdecken.

Allerdings ist die Statistik ein zweischneidiges Schwert. Es kann uns helfen, das Wesentliche der Dinge zu erkennen, aber es kann uns auch große Lügen erzählen. Mark Twain sagte einmal scherzhaft: „Es gibt drei Arten von Lügen auf der Welt: Lügen, verdammte Lügen und Statistiken.“ Solange Sie nicht aufpassen, werden Sie durch die Ergebnisse der Statistik getäuscht und liegen weit von der Wahrheit entfernt.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Von den vielen Lügen, die mit Statistiken in Verbindung gebracht werden, ist der Stichprobenfehler die häufigste. Es gibt viele Arten von Stichprobenverzerrungen, darunter Übergeneralisierung, Healthy Worker Bias und Survivor Bias. Sie sind meist auf kleine Stichproben oder nicht zufällige Stichproben zurückzuführen.

Manche Leute nutzen beispielsweise die Tatsache, dass Bill Gates keinen Hochschulabschluss hat, als Vorwand, um die „Theorie von der Nutzlosigkeit des Studiums“ zu propagieren, bei der es sich um eine Verallgemeinerung anhand eines einzigen Beispiels handelt. Manche Menschen möchten die körperliche Verfassung von Stadtbewohnern untersuchen und wählen daher Arbeiter in der Stadt als Forschungsobjekte. Dabei berücksichtigen sie jedoch nicht, dass Arbeiter in einer besseren körperlichen Verfassung sind als die meisten normalen Menschen, was zu einer „Voreingenommenheit gegenüber gesunden Arbeitern“ führt. Manche Leute zählen den Kauf von Fahrkarten für Züge, die bereits abgefahren sind, was ein „Überlebensbias“ ist, weil Leute, die keine Fahrkarten gekauft haben, den Zug überhaupt nicht besteigen können.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Muschel? Kann die Paläontologie auch mit Stichprobenverzerrungen zusammenhängen?

Ja, Stichprobenverzerrungen gibt es auch in der paläontologischen Forschung. Peter Sheehan, ein Paläontologe am Milwaukee Museum, analysierte die räumliche Verteilung von Fossilien aus verschiedenen Zeitaltern. Er fand heraus, dass es für uns einfacher sein wird, Fossilien urzeitlicher Organismen aus einer bestimmten geologischen Epoche zu finden, wenn Sedimentgesteine, die in großem Umfang an die Oberfläche gelangen, freigelegt werden.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Das ist eigentlich leicht zu verstehen. Fossilien werden fast ausschließlich aus Sedimentgesteinsschichten ausgegraben. Wenn Sedimentgesteine ​​aus einer bestimmten Zeit an der Oberfläche freigelegt werden, lassen sich Fossilien dieser Epoche leichter entdecken. Im Gegenteil: Wenn an der Oberfläche überhaupt keine Sedimentgesteine ​​aus einer bestimmten Zeit gefunden werden können, wird es selbst für die erfahrensten Paläontologen schwierig sein, Fossilien aus dieser Zeit zu entdecken. Dies zeigt, dass die Menge an Sedimentgestein auf der Oberfläche die Probenentnahme paläontologischer Fossilien beeinflusst.

Wodurch wird also der Erhaltungszustand von Oberflächensedimenten unterschiedlichen Alters bestimmt? Der größte bestimmende Faktor ist die Zeit.

Können Sie sich vorstellen, was eine Gruppe von Sedimentgesteinsschichten nach ihrer Entstehung durchmacht? Es ist der Sonne, dem Wind und dem Regen ausgesetzt und wird sogar durch andere geologische Ereignisse beschädigt und ausgebeutet. Je älter also die Gesteinsschicht ist, desto geringer ist die Chance, dass sie bis heute erhalten geblieben ist. Wenn die Gesteinsschicht zerstört ist, werden die Fossilien darin zu Asche und sind für uns nicht länger bekannt.

Das klassische Beispiel findet sich im amerikanischen Westen. In der mittleren und späten Kreidezeit war das Klima heiß und der Meeresspiegel lag viel höher als heute. Zu dieser Zeit war der Westen der Vereinigten Staaten von Meerwasser überflutet und bildete ein Binnenmeer. Das einfallende Meer erodierte die Schichten der frühen Kreidezeit. In Gegenden wie Colorado und Wyoming im Westen der USA sind alle in der frühen Kreidezeit gebildeten Schichten verschwunden.

Die Umweltbedingungen im Westen der Vereinigten Staaten waren in der frühen Kreidezeit gut und stellten einen idealen Lebensraum für Dinosaurier dar. Aufgrund fehlender Schichten findet man an diesen Orten heute jedoch nur wenige Dinosaurierfossilien aus der frühen Kreidezeit. Der Diversitätskurve zufolge erreichte die lokale Dinosauriervielfalt in der frühen Kreidezeit einen Tiefpunkt. Könnte es sein, dass die Dinosaurier im Westen der USA in der frühen Kreidezeit ein Massenaussterben erlebten? Nein, hier ist einfach ein Stichprobenfehler am Werk.

Die Auswirkungen von Stichprobenverzerrungen enden hier nicht. Nach dem „Überlagerungsgesetz“ von Nicholas Sterno, dem Begründer der Geologie, bedecken neu gebildete Schichten die alten Schichten. Ohne Berücksichtigung der Auswirkungen späterer geologischer Ereignisse gilt daher: Je älter die Schichten sind, desto tiefer sind sie normalerweise vergraben. Im Vergleich zu den an der Oberfläche freiliegenden Sedimentgesteinsschichten ist es für uns schwierig, auf tief vergrabene Gesteinsschichten zuzugreifen. Obwohl diese tief vergrabenen Sedimentgesteinsschichten gut erhalten sind, ist es für Fossiliensammler immer noch sehr schwierig, Fossilien aus diesen tief unter der Erde liegenden Gesteinsschichten zu gewinnen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Aus all diesen Umständen lässt sich schließen, dass die Entdeckung von Fossilien umso schwieriger ist, je älter sie sind. Sie wurden entweder vor langer Zeit in der Erdgeschichte zerstört oder liegen heute tief unter der Erde vergraben, sodass wir nicht mehr herankommen. Daher ist es möglich, dass die Artenvielfalt umso stärker unterschätzt wird, je früher das geologische Zeitalter zurückliegt.

Die Faktoren, die die Fossilienausgrabung beeinflussen, sind nicht nur die Zeit, sondern auch nationale Grenzen …

Darüber hinaus wirken sich auch sozioökonomische Faktoren auf die Probenentnahme paläontologischer Fossilien aus.

Wir gehen davon aus, dass es vor langer Zeit einen großen Wald mit einem geeigneten Klima gab, in dem viele urzeitliche Lebewesen lebten. Nach ihrem Tod wurden sie in verschiedenen Ecken des Waldes begraben und einige von ihnen bildeten Fossilien.

Die Sonne geht auf und der Mond geht unter und die Sterne bewegen sich. Dutzende Millionen Jahre später war der Wald längst verschwunden und hatte nur eine Reihe fossilienreicher Schichten hinterlassen. Zufällig verläuft mitten durch diese Schichtgruppe eine Staatsgrenze. Auf der einen Seite der Grenze liegt ein entwickeltes Land, während das Land auf der anderen Seite relativ arm ist.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die Wirtschaft der Industrieländer boomt und die hier tätigen Wissenschaftler haben für ihre groß angelegten Feldforschungen reichlich Gelder für ihre wissenschaftliche Forschung erhalten, sodass in den Industrieländern nach und nach Fossilien entdeckt wurden, die überall verstreut sind. Wenn Wissenschaftler die globale Paläobiodiversität kartieren, werden Fossilien aus den Industrieländern berücksichtigt.

Doch auf der anderen Seite der Grenze ist die Lage anders: Das Land ist relativ arm und kann es Wissenschaftlern nicht ermöglichen, Feldforschungen durchzuführen. Und die Fossilien auf seinem Territorium könnten noch immer unter der Erde vergraben sein und darauf warten, eines Tages entdeckt zu werden. Ursprünglich handelte es sich um denselben Wald wie in der Antike, doch aufgrund der Aufteilung der Regionen durch den Menschen war das Schicksal der Fossilien in den verschiedenen Gebieten sehr unterschiedlich. Aktuelle Studien haben ergeben, dass wir mindestens 640.000 neue Fossilien entdecken würden, wenn die weltweite Fossilienentnahmerate das Niveau der Industrieländer erreichen würde. Auch für die wissenschaftliche Forschung handelt es sich hierbei um einen Stichprobenfehler, der Beachtung verdient.

Kinder: Ich liebe Tyrannosaurus ~ Andere Fossilien: Das ist nicht fair!

Kehren wir nun zum Thema zurück, das am Anfang des Artikels angesprochen wurde. Als Wissenschaftler die Diversitätskurve der nordamerikanischen Dinosaurier wiederherstellten, stellten sie fest, dass die Dinosauriervielfalt im Campanium der Kreidezeit (vor etwa 83 bis 72 Millionen Jahren) ihren Höhepunkt erreichte und dann allmählich abnahm, bis sie beim Asteroideneinschlag vor 66 Millionen Jahren vollständig ausstarb. Auf Grundlage dieser Kurve gehen einige Wissenschaftler davon aus, dass die Dinosaurier in der späten Kreidezeit einen langsamen Aussterbeprozess erlebten. Ihre ökologische Kette war schon seit langem brüchig und der Asteroideneinschlag war nur der letzte Tropfen, der das Fass zum Überlaufen brachte.

Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern ist jedoch der Ansicht, dass diese Kurve unzuverlässig sei, da sie durch Stichprobenverzerrungen beeinflusst sei. Als die Amerikaner in der Wildnis des Westens Eisenbahnen bauten, durchschnitten diese viele Berge. Bei den Schichten in diesen Bergen handelte es sich zufällig um die in der kampanischen Periode entstandenen kampanischen Schichten. Durch den Bau der Eisenbahn wurde das Campanium, das zuvor tief unter der Erde vergraben war, an die Oberfläche gebracht, sodass die darin enthaltenen Fossilien leichter entdeckt werden konnten. Dies wäre gegenüber Fossilien in anderen Schichten unfair und würde zu einer Stichprobenverzerrung führen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Und weil Kinder Tyrannosaurus-Dinosaurier am meisten lieben, haben Museumskuratoren auf der ganzen Welt Mitarbeiter auf die Suche nach Tyrannosaurus-Fossilien geschickt, um mehr junge Touristen anzulocken. In der Campanium-Periode lebten Tyrannosaurusse wie Albertosaurus, Daspletosaurus, Gorgonosaurus und Deinodon. Es war die Ära mit der größten Anzahl an Tyrannosauriern, daher rückte sie in den Fokus der Ausgrabungen. Diese Schichten wurden wiederholt durchsucht und neben Tyrannosaurus-Fossilien wurden auch viele andere Dinosaurierfossilien ausgegraben, was ebenfalls zu einer Stichprobenverzerrung führte.

Daher glauben diese Wissenschaftler, dass der Höhepunkt der Diversitätskurve im Campanium und der anschließende langsame Rückgang lediglich „falsche Signale“ sind, die durch Stichprobenverzerrungen verursacht wurden. Dies deutet nicht darauf hin, dass die Vielfalt der Dinosaurier am Ende der Kreidezeit langfristig zurückgegangen ist.

Abschluss

Die oben genannten Beispiele erinnern uns daran, dass die Falle der Stichprobenverzerrung in der Paläontologie allgegenwärtig ist. Wissenschaftler auf diesem Gebiet müssen diesbezüglich wachsam bleiben und bei der Verwendung statistischer Instrumente sorgfältig und gründlich nachdenken, sonst werden sie durch die oberflächlichen Ergebnisse der Statistik „getäuscht“.

Quellen:

【1】Chiarenza, A., et al. (2019) „Die Modellierung ökologischer Nischen stützt nicht den klimabedingten Rückgang der Dinosauriervielfalt vor dem Massenaussterben.“ Naturkommunikation

【2】Raja, N., et al. (2022) „Kolonialgeschichte und globale Wirtschaft verzerren unser Verständnis der Biodiversität in der Urzeit.“ Naturökologie & Evolution

【3】Ye, S. und SE Peters. (2023) „Vorhersagen geologischer Grundgesteinskarten für phanerozoische Fossilienvorkommen.“ Paläobiologie

Herausgeber: Sun Chenyu

(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)