Eine neue Studie, die Klimadaten mit fossilen Aufzeichnungen von großen Säugetieren kombiniert, die in den letzten 4 Millionen Jahren in ganz Afrika lebten, lässt Zweifel an einer langjährigen Hypothese aufkommen, dass wiederholte Klimaveränderungen als Haupttreiber des evolutionären Wandels bei Säugetieren, einschließlich menschlicher Vorfahren, fungierten.
Veröffentlicht in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciencesliefert die Studie eine afrikanische Kontinent-weite Synthese der Umweltvariabilität während des Plio-Pleistozäns, einer Periode in der Erdgeschichte, die ungefähr die letzten 5 Millionen Jahre umfasst und die letzte Eiszeit vor etwa 20.000 Jahren umfasst.
Die Studie stellt fest, dass die Umweltvariabilität während dieser Zeit Änderungen in der Erdumlaufbahn und -ausrichtung in Bezug auf die Sonne widerspiegelt, wie durch ein natürliches Phänomen vorhergesagt, das als Milankovic-Zyklen bekannt ist. Diese Zyklen setzen unseren Planeten unterschiedlicher Intensität der Sonnenstrahlung aus, was zu gut dokumentierten, zyklischen Auswirkungen auf das Erdklima bei verschiedenen Frequenzen führt.
Die Forscher beobachteten einen langfristigen Trend zunehmender Umweltvariabilität in ganz Afrika, der auf Schwankungen des globalen Eisvolumens und der Meerestemperatur zurückzuführen ist. Die Ergebnisse ergaben jedoch keine signifikante Korrelation zwischen Umweltvariationen und Artenentstehungs- oder -aussterberaten, was darauf hindeutet, dass Umweltvariabilität und Artenumsatz möglicherweise nicht eng miteinander verbunden sind, eine Vorstellung, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft weithin diskutiert wurde.
Die Idee, dass langfristige Trends hin zu einem feuchteren oder trockeneren Klima ein Motor der menschlichen Evolution gewesen sein könnten, geht auf die Zeit von Charles Darwin zurück, so der Erstautor des Papiers, Andrew Cohen, ein angesehener Universitätsprofessor an der Universität von Arizona der Geowissenschaften und des Departments für Ökologie und Evolutionsbiologie. Eine große Veränderung kam Ende der 1990er Jahre mit der Einführung der einflussreichen Variabilitätsselektionshypothese in die wissenschaftliche Gemeinschaft.
„Die Idee dabei ist, dass nicht nur die Richtung des Klimawandels als treibende Kraft für evolutionäre Neuerungen in der Hominin-Linie wichtig war, sondern auch die Variabilität der Umwelt- und Klimabedingungen“, erklärte Cohen. „Da unsere Vorfahren mit sich schnell ändernden Bedingungen konfrontiert waren, legt diese Hypothese nahe, dass sie einfallsreicher und in der Lage sein mussten, 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 Seebetten, Meeresböden und terrestrischen Aufschlüssen von 17 Orten auf dem afrikanischen Kontinent und den umliegenden Gebieten. Die Umweltdaten wurden durch die Analyse von Aufzeichnungen von Pollen, versteinerten Algen, Staub, Blattwachsen, Bodenisotopen und anderen physikalischen Eigenschaften gewonnen, die Hinweise auf die Arten der Vegetation und die Umweltbedingungen an der Stelle geben, an der sie abgelagert wurden. Um Daten aus diesen sehr unterschiedlichen Arten von Aufzeichnungen zu kombinieren und das zugrunde liegende Muster der Klimavariabilität herauszuarbeiten, musste das Team laut Cohen eine große Herausforderung überwinden: Wie kann man die Variabilität quantifizieren und sie von einem Probenort zum anderen vergleichen?
„Das ist nicht trivial, weil Sie einerseits Aufzeichnungen über Dinge wie fossile Pollen haben, die Ihnen sagen, wie variabel die Vegetation war, andere über sich ändernde Seespiegel und wieder andere über Staub, der auf den Ozean geweht wird“, sagt er genannt. „Wir brauchten eine Möglichkeit, nicht nur auf eine Platte zu schauen, sondern all diese verschiedenen Arten von Referenzen zu stapeln, die es uns ermöglichen, den Rhythmus der Variabilität auseinanderzureißen.“
Dazu entwickelten die Forscher statistische Methoden, die es ihnen erlaubten, „Äpfel und Birnen zu vergleichen“, erklärte Cohen, und ordneten die Datenpunkte der Klimaaufzeichnungen „Bins“ von Zeiträumen zu, die 20.000, 100.000 und 400.000 Jahre umfassten. Nachdem die einzelnen Datensätze der Variabilitätswerte in jedem Bin standardisiert worden waren, konnte das Team sie „stapeln“ und eine durchschnittliche Menge an Variabilität für jeden Zeitraum berechnen.
Die Klimadaten wurden dann direkt mit dem Fossilienbestand großer Säugetiere aus Ostafrika verglichen – hauptsächlich Hornträger, eine Familie, zu der Antilopen und andere große Pflanzenfresser gehören. Die Forscher konzentrierten sich hauptsächlich auf große Pflanzenfresser, weil Fossilien menschlicher Vorfahren zu selten sind, um für einen solchen Ansatz nützlich zu sein.
„Ich werde nicht sagen, dass man alle (die Homininen-Fossilien) mehr in einen Schuhkarton stecken könnte, aber sie sind immer noch nicht so häufig“, sagte Cohen, „also haben wir uns entschieden, uns andere Organismen mit einem besseren Fossilienbestand anzusehen, weil Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass nur unsere engsten Verwandten, unsere Hominiden-Vorfahren, von Klimawandel und -variabilität betroffen sein sollten.
„Wenn die Klimavariabilität ein wesentlicher Treiber der Evolution ist, sollte sie auch ein Treiber und die Evolution anderer großer Säugetiere sein“, fügte er hinzu. „Denken Sie zum Beispiel an Eisbären und wie sie vom aktuellen Klimawandel betroffen sind.“
Die Autoren verwendeten eine Methode, die der modernen Populationsbiologie von Wildtieren entlehnt war, um eine Voreingenommenheit zu erklären, die Paläontologen lange geplagt hat: die inhärente Unvollständigkeit des Fossilienbestands, die der Zweitautor der Studie, Andrew Du, mit einem Block Schweizer Käse veranschaulicht. Wenn man eine Kernprobe durch Käse bohren würde, würde es Lücken geben, wo der Kern ein Loch im Käse trifft. In ähnlicher Weise weist der Fossilienbestand einer Art Lücken auf – Zeiträume, in denen keine Fossilien gefunden wurden –, die mit Zeiträumen durchsetzt sind, in denen Fossilien vorhanden sind. Dies macht es sehr schwierig festzustellen, wann eine Art im Fossilienbestand entstanden ist und wann sie ausgestorben ist.
Um diese Einschränkung zu umgehen, wendete Du eine Technik an, die als Capture, Mark and Recapture bekannt ist und häufig von Wildbiologen bei der Untersuchung von Tierpopulationen verwendet wird: Nachdem ein Tier gefangen wurde, wird es zur Identifizierung markiert und wieder in die Wildnis entlassen. Bei einer späteren Erhebung vergleichen die Wissenschaftler den Anteil markierter mit nicht markierten Tieren. Mithilfe von Statistiken können sie sich so ein Bild von der Größe und Struktur der Bevölkerung machen.
Du, ein Assistenzprofessor am Institut für Anthropologie und Geographie der Colorado State University, erklärte, wie die Technik in fossilen Systemen funktioniert.
„Nehmen wir an, wir sehen das Auftreten einer neuen Art im Fossilienbestand in Zeitraum eins, dann finden wir ein anderes Fossil derselben Art in Zeitraum zwei, wir vermissen es in Zeitraum drei, aber wir sehen es rechtzeitig wieder Periode vier“, sagte er. „Das sagt uns, dass wir, obwohl wir die Art im Zeitraum drei nicht gesehen haben, wissen, dass sie da war. Das gibt uns eine Vorstellung von der Qualität des Fossilienbestands während bestimmter Zeiträume, und wir können dies erklären.“ Qualität bei der Schätzung von Artbildungs- und Aussterberaten.“
Die Zusammenstellung all dieser Datensätze ermöglichte es den Forschern, Muster der Umweltvariabilität und ihre Beziehung zur Entstehung und Aussterberate von Säugetierarten zu vergleichen.
„Insgesamt gab es in den letzten 3,5 Millionen Jahren einen langfristigen Trend zu zunehmender Variabilität in der Umwelt“, sagte er. „Dieser Trend verfolgt die zunehmende Variabilität des globalen Eisvolumens und der Meeresoberflächentemperaturen rund um Afrika. Darüber hinaus fanden wir einen weiteren Trend: Sobald wir in die Eiszeiten kommen, sehen wir mehr Höhen und Tiefen; die Wackeln werden größer und größer und größer, spiegelt das Wachsen und Schwinden der Eisschilde wider, und diese Variabilität folgt den 400.000-jährigen Milankovic-Zyklen.“
Währenddessen scheinen die fossilen Aufzeichnungen über die Entstehung und das Aussterben von Arten unter den großen Pflanzenfressern und auch Hominin-Fossilien von diesen klimatischen Variabilitätstrends getrennt zu sein. Während die Autoren anerkennen, dass die Variabilitätsselektionshypothese immer noch richtig sein könnte, aber auf anderen Maßstäben funktioniert, hoffen sie, die wissenschaftliche Gemeinschaft zu ermutigen, kritischer über die Variabilitätsselektionshypothese nachzudenken, „anstatt sie nur als zugrunde liegendes Prinzip von zu akzeptieren wie wir den Fossilienbestand in Afrika und insbesondere den menschlichen Fossilienbestand betrachten“, sagte Cohen.
„Wir sagen nicht, dass die Umweltvariabilität für die menschliche Evolution nicht wichtig ist, aber die Daten, die wir derzeit zusammengestellt haben, widersprechen dieser Idee sehr“, sagte er. „Wenn die Umweltvariabilität so wichtig wäre, wie sie behauptet wird, würden wir erwarten, dass sich dieser langfristige Trend der zunehmenden Variabilität im evolutionären Umsatz aller Arten, einschließlich Homininen, widerspiegelt, aber wir sehen das einfach nicht .“
Plio-pleistozäne Umweltvariabilität in Afrika und ihre Auswirkungen auf die Säugetierevolution, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2107393119.