Manche Wissenschaftler machen nicht nur keinen Urlaub, sondern sind auch bereit, Ihnen von einer Entdeckung zu erzählen, für deren Entwicklung sie zehn Jahre gebraucht haben.

Autor: Liu Yun, Wang Bo, Shi Gongle (Nanjing Institut für Geologie und Paläontologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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Herzliche Erinnerung: Einige der Insektenbilder in diesem Artikel wurden ausgeblendet. Leser, die ernsthafte Angst vor Insekten haben, können ohne Bedenken weiterlesen.

Wie wir alle wissen, sollte der Labor Day der Arbeit gewidmet sein (offensichtlich nicht). Die Wissenschaftler sind sich dessen durchaus bewusst und haben im Krankenhaus jemanden gefunden, der dafür plädiert, „in den Ferien intensiver zu lernen“, um mit allen über eine Entdeckung zu sprechen, für die es „zehn Jahre gedauert hat, ein Schwert zu schärfen“.

Bei dieser Entdeckung handelt es sich um die Zhangpu-Biota, eine Fossilienlagerstätte aus dem tropischen Regenwald in Fujian. Im letzten Jahrzehnt hat ein gemeinsames Team aus 30 Forschern verschiedener Disziplinen unter der Leitung von Wang Bo und Shi Gongle vom Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften detaillierte Studien zur Vielfalt, Paläoökologie und paläoklimatischen Bedeutung dieser Biota durchgeführt.

Feldaufschlüsse und verschiedene Fossilien der Zhangpu-Biota (Bildnachweis: Nanjing Institute of Geology and Paleontology)

Vom mittelmiozänen Klimaoptimum

Die Vergangenheit ist der Schlüssel zum Verständnis künftiger Umweltveränderungen, und Fossilien sind zweifellos der wichtigste Schlüssel. Im Jahr 2010 wurde die Zhangpu-Biota in den Schichten der Fotan-Gruppe im Kreis Zhangpu an der Südostküste von Fujian entdeckt. Als eine Reihe von Gesteinsschichten, die aus zwischengelagerten Sedimentgesteinen und Vulkangesteinen bestehen (d. h. die beiden Gesteinsschichten treten wiederholt auf), ist es hauptsächlich in den Kreisen Zhangpu und Longhai im südlichen Fujian sowie in den Kreisen Mingxi und Ninghua im westlichen Fujian verbreitet. Das geologische Alter (vor etwa 14,7 Millionen Jahren) liegt in der Spätphase des mittleren Miozäns, der Periode des Klimaoptimums.

Das mittelmiozäne Klimaoptimum ereignete sich in der Mitte des Miozäns vor 17 bis 14 Millionen Jahren und war ein starkes Erwärmungsereignis in der Erdgeschichte. Zu dieser Zeit war der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre erheblich höher als heute und die globale Jahresdurchschnittstemperatur um 3 bis 7 °C höher als heute, was sehr ähnlich zu den für das Jahr 2100 prognostizierten Klimabedingungen ist. Daher ist das Verständnis der Veränderungsprozesse von Klima und Biota in diesem geeigneten Zeitraum von großer Bedeutung für die Vorhersage künftiger Veränderungen von Klima und Biota vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung und kann der Menschheit helfen, künftige Umweltkrisen effizienter zu bewältigen.

Obwohl viele fossile Taxa aus dem mittleren Miozän entdeckt wurden, ist unser Wissen über die tropische Biota dieser Periode noch immer sehr begrenzt. Die Zhangpu-Biota kann umfangreiche Fossiliendaten für entsprechende Forschungen liefern. Wie also wurden diese fossilen Materialien konserviert?

Das weltweit artenreichste Fossilienlager tropischer Regenwälder aus der Känozoik

Im Laufe der Erdgeschichte wurden bei Sturzfluten oder starken Regenfällen einige der im Herbst abgefallenen Blätter der Pflanzen in Bäche gespült und flossen schließlich in Flüsse oder Seen. Als der See rasch verschüttet wurde, wurde er von Sedimenten bedeckt. In sehr seltenen Fällen bleiben diese Blätter erhalten und werden zu dem, was wir heute Pflanzenfossilien nennen. Diese Pflanzenfossilien sind die wichtigsten Symbole für die Einteilung und Wiederherstellung alter Kontinente, alter Klimazonen und pflanzengeographischer Einteilungen in geologischen Zeiträumen.

Nach zehn Jahren kontinuierlicher Feldsammlung hat das Forschungsteam über 25.000 Bernsteine ​​mit Insekteninhalt und über 5.000 fossile Pflanzenabdrücke gesammelt. Zu den Gruppen mit der größten Vielfalt und den reichsten Fossilienexemplaren der antiken Flora zählen Dipterocarpaceae, Fabaceae, Lauraceae und Luteaceae. Zu den weiteren pantropischen Familien gehören Annonaceae, Anacardiaceae, Oleaceae, Euphorbiaceae, Melastomataceae, Moraceae, Myristicaceae und Myrtaceae. Pflanzen dieser Familien sind heute die dominierenden Gruppen in den tropischen Regenwäldern Südostasiens. Zu den Pflanzenblattfossilien zählen unter anderem zwei Farnarten, drei Arten von Monokotyledonen und 78 Arten von Dikotyledonen. Darüber hinaus gibt es mehr als 20 Arten von Frucht- und Samenfossilien. Basierend auf den entdeckten Tier- und Pflanzenfossilienarten ist die Zhangpu-Biota das artenreichste Fossilienlager des tropischen Regenwalds aus der Känozoik der Welt.

Repräsentative Pflanzenfossilien der Zhangpu-Biota (Bildnachweis: Nanjing Institute of Geology and Paleontology)

Bling Bling Bernstein Kollektion

Darüber hinaus wurde in der Zhangpu-Biota auch viel Bernstein gefunden. Bernstein ist ein ganz besonderes Fossil, das entstand, nachdem uraltes Pflanzenharz unter der Erde vergraben wurde und langen geologischen Einflüssen ausgesetzt war. Zhangpu-Bernstein ist sehr reich an Einschlüssen und hat eine wichtige Bedeutung für die Forschung. Der bisher entdeckte Zhangpu-Bernstein stammt aus der Familie der Dipterocarpaceae. Das Harz des Dipterocarp-Baumes wurde durch Tropfen in den See getragen und dort zusammen mit Pflanzen, Lehm usw. abgelagert und konserviert.

Unser Land ist ein großes Land mit extrem reichen fossilen Ressourcen. Allerdings wird Bernstein (insbesondere Insektenbernstein) als besonderes Fossil in meinem Land selten gefunden, und es gibt nur eine weithin bekannte Bernsteinproduktionsstätte, Fushun. Es ist der Wunsch eines jeden Paläoentomologen, die bedeutendste Bernsteinbiota der Welt im eigenen Land zu entdecken. Herr Bingzhi begann bereits 1931 mit der Erforschung des chinesischen Bernsteins. Dieser Wunsch wurde 90 Jahre später dank der Bemühungen mehrerer Generationen chinesischer Paläoentomologen endlich Wirklichkeit.

Im Jahr 2014 berichtete das Bernsteinforschungsteam des Nanjing Institute of Geology and Paleontology über das Aussehen und die Zusammensetzung der Fushun-Bernsteinbiota (Current Biology, 2014). Damit ist sie eine der artenreichsten Bernsteinbiota der Welt und schließt die Lücke in der Bernsteinbiota des asiatischen Kontinents während des Eozäns. Dies weist darauf hin, dass vor 50 Millionen Jahren ein umfassender biologischer Austausch zwischen den beiden Enden des eurasischen Kontinents stattfand. Das Team berichtete 2018 außerdem erstmals über die Erscheinungsmerkmale der Tilin-Bernsteinbiota in Myanmar in der späten Kreidezeit (Nature Communications, 2018). Damit schloss es die 24 Millionen Jahre alte Lücke in der Entdeckung von Insektenfossilien und trug wesentlich dazu bei, dass Wissenschaftler die Evolution der Insekten vor und nach dem Massenaussterben am Ende der Kreidezeit besser verstehen. Heute ist die Zhangpu-Bernsteinbiota die dritte Bernsteinbiota, die das Team nach multidisziplinärer und systematischer Forschung fertiggestellt hat. Diese Biota ist die reichste Bernsteinbiota, die im letzten Jahrhundert entdeckt wurde, und eine der vier größten Bernsteinbiota der Welt. Diese Entdeckung zeigt auch, dass mein Land über reiche Bernsteinvorkommen verfügt.

Ökologische Wiederherstellungskarte der Zhangpu-Biota (Foto von Yang Dinghua, Nanjing Institute of Paleontology)

Zhangpu-Bernstein enthält eine große Anzahl tierischer und pflanzlicher Fossilien. In Bezug auf die Artenvielfalt der Arthropoden steht die Zhangpu-Bernsteinbiota derzeit mit 250 entdeckten Familien an dritter Stelle. Sie ist nur der Kachin-Bernsteinbiota in Myanmar (Mittelkreide, vor etwa 100 Millionen Jahren; fast 600 Familien) und der baltischen Bernsteinbiota (Eozän, vor etwa 48 bis 34 Millionen Jahren; fast 600 Familien) unterlegen und liegt vor der dominikanischen Bernsteinbiota (Mittelmiozän, vor etwa 20 bis 15 Millionen Jahren; etwa 200 Familien).

Unter den entdeckten Bernsteinen sind Insekten am häufigsten anzutreffen, darunter mindestens 20 Ordnungen und 200 Familien. Die häufigsten davon sind Diptera, die etwa 55 % der Gesamtzahl ausmachen. gefolgt von Hymenoptera (verschiedene Bienen und Ameisen); dann Coleoptera (Käfer) und Hemiptera (Blattläuse, Zikaden, Stinkwanzen usw.). Darüber hinaus enthält Bernstein auch eine große Anzahl von Federn, Pflanzen, Gastropoden und mikrobiellen Fossilien.

Repräsentative Pflanzen und Tiere in Zhangpu-Bernstein (Bildnachweis: Nanjing Institute of Geology and Paleontology)

Anders als bei den meisten anderen Bernsteinen liegen für Zhangpu-Bernstein genaue Daten zum geologischen Alter und Paläoklima vor, die zu einem klaren Verständnis der Umweltbedingungen der Bernsteinbiota beitragen. Bei der überwiegenden Mehrheit der Arthropoden in der Bernsteinbiota von Zhangpu (insbesondere Ameisen, Bienen, Springschwänze, Grillen, Mücken usw.) handelt es sich um lebende Gattungen, die einen guten Zeitkorrekturpunkt für die molekularsystematischen Untersuchungen verschiedener Gemeinschaften bieten. Die Stabilität der Elemente auf Gattungsebene weist darauf hin, dass die Biota des tropischen Regenwalds Asiens ihre heutige ökologische Struktur bereits vor 15 Millionen Jahren erreicht hatte. Dies stützt auch die Ansicht, dass „tropische Regenwälder Museen der Artenvielfalt sind“.

Noch wichtiger ist, dass die Bernsteingemeinschaft von Zhangpu auch die reichste Bernsteingemeinschaft ist, die für wissenschaftliche Forschungen (nichtkommerzieller Abbau) gesammelt wurde. Dadurch bleiben die ursprünglichen paläoökologischen und taphonomischen Informationen vollständig erhalten und es werden wertvolle Vergleichsdaten für die paläoökologische Wiederherstellung und die Korrektur taphonomischer Abweichungen (Fossilbildung) anderer Bernsteingemeinschaften bereitgestellt.

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Repräsentative Insekten in Zhangpu-Bernstein (Bildnachweis: Nanjing Institute of Geology and Paleontology)

Verschiedene Ameisenarten in Zhangpu-Bernstein (Bildnachweis: Nanjing Institute of Paleontology)

Die Geschichte liefert Lehren zum Verständnis des Klimawandels

Nach Untersuchungen und Analysen zeigen sowohl die Pflanzen- als auch die Laubzusammensetzung der Flora, dass die Flora des Zhangpu-Gebiets aus dem mittleren Miozän einen tropischen Monsunwald darstellt und ihre Laubzusammensetzung der Vegetation in Zentralthailand, Zentralindien und dem Gangesdelta von heute sehr ähnlich ist. Eine Paläoklimaanalyse der Blattphasen fossiler Pflanzen zeigt, dass das Gebiet von Zhangpu im mittleren Miozän am nördlichen Rand der Tropen lag und eine durchschnittliche Jahrestemperatur von 22,5 ± 2,4 °C, eine durchschnittliche Sommertemperatur von 27,1 ± 2,9 °C und eine durchschnittliche Wintertemperatur von 17,2 ± 3,6 °C aufwies. Die Vegetationsperiode dauerte etwa 12 Monate, mit Niederschlägen von 1929 ± 643 mm während der Vegetationsperiode und der Frühling war die trockenste Jahreszeit. Die durch Blattphasenanalyse quantitativ rekonstruierte Sommertemperatur im Gebiet Zhangpu während des mittleren Miozäns war etwa 10 °C höher als die Wintertemperatur, was niedriger ist als der aktuelle jahreszeitliche Temperaturunterschied in Zhangpu (etwa 15 °C). Darüber hinaus ähneln die Unterschiede bei den saisonalen Niederschlägen in Zhangpu während des mittleren Miozäns stark denen von heute.

Gleichzeitig enthalten die Fossilien der Zhangpu-Biota eine große Anzahl typischer tropischer biologischer Gruppen Südostasiens, wie etwa einige Blütenpflanzen, Moose, Schnecken, Spinnen und viele Insekten wie Ameisen, Bienen, Grillen, Käfer usw., die derzeit nur in den tropischen Regenwaldgebieten Südostasiens (sogar Nordozeaniens) verbreitet sind. Vor dem Hintergrund des Treibhauseffekts im mittleren Miozän stieg die minimale Wintertemperatur in der Region Zhangpu deutlich an, wodurch der Auswinterungseffekt abgeschwächt wurde, der möglicherweise der wichtigste Faktor für die Nordwanderung der tropischen Biota ist. Die „Nördliche Expedition“ der tropischen Biota brachte eine große Zahl invasiver Arten mit sich und verursachte Veränderungen in den lokalen Nahrungsketten, biogeochemischen Kreisläufen und klimatischen Bedingungen, die die ursprünglichen biologischen Gemeinschaften in Ostasien stark beeinflusst und die heutige ostasiatische Biota weiter geprägt haben könnten.

„Es dauert zehn Jahre, ein Schwert zu schärfen.“ Dieser Forschungserfolg ist das Ergebnis von zehn Jahren harter Arbeit und selbstlosem Einsatz aller Teammitglieder. Diese Studie stellt das vorläufige Ergebnis der Zhangpu-Biota dar und konzentriert sich auf die Darstellung des Gesamterscheinungsbildes der Zhangpu-Biota. Allerdings müssen noch immer zahlreiche Fossilien im Detail identifiziert werden (beispielsweise wurden bisher nur mehr als 8.000 Insektenbernsteine ​​identifiziert). Das Forschungsteam wird weiterhin eingehende taxonomische, phylogenetische und paläoökologische Untersuchungen an einigen wichtigen Tier- und Pflanzengruppen durchführen. Diese Studie liefert außerdem wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Evolution der modernen tropischen Regenwaldökosysteme Asiens und ihrer Reaktion auf die künftige Klimaerwärmung.

Die relevanten Forschungsergebnisse wurden gemeinsam von einem internationalen Forschungsteam erarbeitet, das sich aus dem Nanjing Institute of Geology and Paleontology, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Zoologischen Institut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Sun Yat-sen University, der China Agricultural University, der Capital Normal University, der Linyi University, der Qufu Normal University, der Universität Hong Kong, der Open University, der Georg-August-Universität Göttingen, der Universität München, dem Senckenberg Museum of Natural History, dem Musée d'Histoire Naturelle, der Universität Rennes, der Indiana University at Urbana-Champaign, dem American Museum of Natural History, der University of Kansas, der Universität Danzig (Polen) und der Lebanese University zusammensetzt. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde am 30. April 2021 online in Science Advances veröffentlicht.

Diese Forschung wurde von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie und der National Natural Science Foundation of China finanziert. Das Fujian Institute of Geological Survey und der Zhangzhou Coastal Volcano National Geopark leisteten wichtige Unterstützung für diese Forschung. Der Fossilienliebhaber Herr Zhu Li entdeckte viele neue Bernsteinminen und führte langfristige Sammelarbeiten durch, bei denen er mehr als 20.000 Exemplare zermahlte und so wichtige Unterstützung für die Insektenbernsteinforschung leistete. Herr Shen Huazhu hat die Fossiliensammlung von Zhangpu tatkräftig unterstützt.

Quellen:

[1] Wang Bo*, Shi Gongle*, Xu Chunpeng, Spicer RA, Perrichot V., Schmidt AR, Feldberg K., Heinrichs J., Chény C., Pang Hong, Liu Xingyue, Gao Taiping, Wang Zixi, Ślipiński A., Solórzano-Kraemer MM, Heads SW, Thomas MJ, Sadowski E.-M., Szwedo J., Azar D., Nel A., Liu Ye, Chen Jun, Zhang Qi, Zhang Qingqing, Luo Cihang, Yu Tingting, Zheng Daran, Zhang Haichun, Engel MS (2021) Die mittelmiozäne Zhangpu-Biota offenbart ein außergewöhnlich reiches Regenwaldbiom in Ostasien. Wissenschaftliche Fortschritte, 7: eabg0625. https://doi.org/10.1126/sciadv.abg0625.