Was Zinkisotope im Zahnschmelz über prähistorische Pflanzen- und Fleischfresser verraten

Wie bekommt man eigentlich heraus, was Menschen in der grauen Vorzeit gegessen haben? Und prähistorische Tiere? Denn der Mageninhalt hat sich ja in der Regel nie erhalten. Nur Teile des Skeletts überdauern unter günstigen Voraussetzungen, und davon auch nur die widerstandsfähigsten Teile. Die Zähne zum Beispiel. Aber da fällt Leipziger Forschern schon was ein, wie man selbst aus Zähnen die Ernährungsgewohnheiten herauslesen kann.

Zinkisotope als Indikatoren für die Art der Nahrung

Denn aus prähistorischer Zeit liegen bisher nur wenig gesicherte Erkenntnisse über die Ernährung der damaligen Tiere und Menschen vor. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben nun eine neue Methode, die Isotopenanalyse von Zinkisotopen auch an Zahnschmelz fossiler Säugetiere, getestet. Und sie stellten fest, dass sich dieses Verfahren sehr gut eignen könnte, um die Ernährung von fossilen Menschen und auch anderen Säugetieren des Pleistozäns aufzuklären und dabei zwischen tierischer und pflanzlicher Kost zu unterscheiden.

Informationen, was unsere Vorfahren tatsächlich gegessen haben, beruhen vor allem auf Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalysen des Strukturproteins Kollagen in Knochen und Zahnbein. Insbesondere die Stickstoffisotopie erlaubt es, den Konsum tierischer oder pflanzlicher Nahrung zu rekonstruieren. Weil allerdings Kollagen, wie Proteine allgemein, nicht gut überdauert, können mit dieser Methode keine Wirbeltierfossilien untersucht werden, die älter als 100.000 Jahre sind. Der Zeitrahmen verringert sich in trockenen und feuchten tropischen Gebieten sogar auf wenige tausend Jahre, wobei gerade diese Gegenden wie Afrika oder Asien als Schlüsselregionen für die menschliche Entwicklung gelten und daher für die Wissenschaft besonders interessant wären. Mit neuen Methoden wie der Analyse von Zinkisotopen eröffnen sich nun neue Forschungsperspektiven.

Die Wissenschaftler analysierten das Verhältnis von zwei verschiedenen Zinkisotopen im Zahnschmelz fossiler Säugetiere, die 2015 in der Höhle Tam Hay Marklot im nordöstlichen Laos entdeckt worden sind. Diese Fossilien stammen aus dem späten Pleistozän, genauer von vor rund 13.500 bis 38.400 Jahren. Die Wissenschaftler entdeckten in Laos Fossilien von verschiedenen Säugetieren, darunter Wasserbüffel, Nashörner, Wildschweine, Rehe, Bären, Orang-Utans und Leoparden.

„Die Höhle liegt in einer tropischen Region, wo organisches Material wie Kollagen generell schlecht erhalten ist. Damit ist der Fundort für uns ideal, um zu testen, ob wir die Unterschiede zwischen Pflanzen- und Fleischfressern mithilfe von Zinkisotopen ermitteln können“, sagt Thomas Tütken, Professor am Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der Studie.

Erhaltung von Nahrungssignaturen

Zink wird mit der Nahrung aufgenommen und als essentielles Spurenelement in den Bioapatit, die Mineralphase des Zahnschmelzes, eingelagert. Damit hat Zink bessere Chancen, auch über längere Zeiträume erhalten zu bleiben, als kollagengebundener Stickstoff. Die relevante Kennzahl ergibt sich aus dem Verhältnis der Isotope Zink-66 zu Zink-64.

„Anhand von diesem Verhältnis können wir sagen, welche Knochen von Tieren stammen, die sich herbivor, karnivor oder omnivor ernährten. Das heißt, unter den Fossilien können wir die Fleischfresser und Pflanzenfresser herausfinden und klar unterscheiden, während die Allesfresser erwartungsgemäß dazwischen liegen“, sagt Erstautor Nicolas Bourgon vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und Doktorand in der Arbeitsgruppe von Tütken.

Muskelfleisch enthält mehr Zink-64 als pflanzliche Nahrung. Fleischfresser wie der Tiger haben daher ein geringeres Verhältnis von Zink-66 zu Zink-64 als Pflanzenfresser wie der Wasserbüffel. Um auszuschließen, dass die Proben während der langen Lagerung durch äußere Einflüsse wie den Höhlenboden beeinflusst wurden, untersuchte sie zudem das Team um Klaus Peter Jochum am Max-Planck-Institut für Chemie.

Dazu verglichen die Mainzer Forscher mit Hilfe der sogenannten Laserablations-ICP-Massenspektrometrie die Konzentration und Verteilung von Zink und weiteren Spurenelementen des fossilen Zahnschmelzes mit denen heutiger Tiere und stellten keine Veränderungen fest.

Über 100.000 Jahre alte Fossilien

Die Zinkisotopenmethode wurde damit zum ersten Mal erfolgreich an Fossilien angewandt.

„Die Zinkisotopenverhältnisse in fossilem Zahnschmelz aus der Höhle Tam Hay Marklot lassen ein ausgezeichnetes langfristiges Erhaltungspotenzial in Zahnschmelz vermuten, selbst unter tropischen Bedingungen“, so die Autoren. Zinkisotope könnten damit als ein neues Werkzeug dienen, um die Ernährung von fossilen Menschen und anderen Säugetieren zu untersuchen. Damit würde eine Tür geöffnet, um auch prähistorische und geologische Zeiträume zu betrachten, die weit über 100.000 Jahre zurückliegen.

Zukünftig soll mittels der neuen Methode die menschliche Ernährung auf einer Zeitskala rekonstruiert werden, die bis in die Altsteinzeit zurückgeht. Die Wissenschaftler planen darüber hinaus auch Jahrmillionen alte Fossilien von ausgestorbenen Säugetieren sowie Dinosauriern mit der Methode zu untersuchen.

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