Schon frühe Säugetiere waren beim Essen wählerisch

Darüber berichten Forschende der Universitäten Bristol und Leicester in der neuesten Ausgabe des Fachjournals Nature. Ihre Erkenntnisse beruhen auf Untersuchungen, die mithilfe von Röntgentomografie am Paul Scherrer Institut durchgeführt wurden. Die Ergebnisse helfen zu verstehen, wie Eigenschaften entstanden sind, die heutige Säugetiere auszeichnen.

Wenn vom Erdzeitalter Jura die Rede ist, stellen sich die meisten Menschen eine Welt vor, die von riesigen Dinosauriern bewohnt ist. Doch zu dieser Zeit (vor 200 bis 145 Millionen Jahren) gab es auch schon Säugetiere und deren unmittelbare Vorläufer, die aber auf den ersten Blick deutlich weniger spektakulär waren.

Bis vor Kurzem herrschte die Vorstellung, dass diese mausgrossen Säugetiere alle Arten von Insekten gleichermassen frassen. Dabei lebten sie in einer Zeit, in der sich neue Säugetiereigenschaften entwickelten – wie etwa besseres Hörvermögen oder Zähne, mit denen die Tiere präziser kauen und Nahrung zermahlen konnten.

Allerdings stellte sich hier die Frage, was die Entwicklung dieser anatomischen Eigenschaften vorangetrieben hatte. Wären alle frühen Säuger Generalisten gewesen, die alle Arten von Insekten hätten fressen können, hätte es eigentlich keinen Grund für die Entwicklung von Nahrungsspezialisten gegeben. Es ist aber von Vorteil, wenn sich Tiere auf bestimmte Nahrung wie zum Beispiel hartschalige Insekten spezialisieren, die von anderen Tieren nicht gefressen werden können. Das bedeutet aber auch, dass die Tiere von ihrer Anatomie her komplexer werden.

Um diese Frage zu beantworten, haben Forschende Fossilien früher Säugetiere untersucht, die in der Region Glamorgan im Süden von Wales gefunden wurden. Vor 200 Millionen Jahren bestand diese Gegend aus einer Reihe von kleinen Inseln, die aus einem seichten Meer herausragten. Durch Untersuchungen der Kiefer und Zähne der Tiere konnte das international zusammengesetzte Forschungsteam nun zeigen, dass zwei Arten der frühesten Säugetiere, Morganucodon und Kuehneotherium, nicht beliebige Insekten frassen, sondern sich auf bestimmte Insektenarten spezialisiert hatten.

Pamala Gill von der Universität Bristol, Hauptautorin der Nature-Veröffentlichung, sagt dazu: „Es gibt keine Fossilien der frühesten Säugetiere, die so gut erhalten wären, dass man etwa aus dem Mageninhalt auf die Essgewohnheiten schliessen könnte. Stattdessen haben wir moderne Verfahren verwendet, um die verfügbaren Teile der Kiefer und einzelne Zähne zu untersuchen. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass die Entstehung unterschiedlicher Säugetierarten zu jener Zeit mit Unterschieden in den Fressgewohnheiten und dem Lebensumfeld verbunden waren.“

Mithilfe von Röntgentomografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts PSI hat das Forschungsteam mit beispielloser Genauigkeit die feinen Details der inneren Anatomie der winzigen, nur 2 cm langen Kiefer sichtbar gemacht. Da die Kiefer in vielen Einzelteilen vorliegen, mussten die einzelnen Stücke virtuell „zusammengesetzt“ werden, sodass am Ende eine vollständige digitale Rekonstruktion entstanden ist. Mithilfe der Finite-Elemente-Analyse, eines Verfahrens, mit dem auch Stabilität und mechanische Eigenschaften von Brücken oder künstlichen Hüftgelenken getestet werden, wurde untersucht, wie kräftig die Kiefer der frühen Säuger waren. Es stellte sich heraus, dass Morganucodon und Kuehneotherium sich deutlich in ihren Fähigkeiten unterschieden, Beute zu fangen und zu kauen.

„Mikrotomografie mit Synchrotronlicht ist heutzutage einer der wichtigsten zerstörungsfreien Methoden zur Untersuchung von Fossilien. Das brillante Licht, das moderne Synchrotronanlagen wie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS erzeugen, stellt ein einmaliges Werkzeug dar, mit dem man in kurzer Zeit Strukturinformationen bis zur Mikrometerskala gewinnen kann“, erklärt Marco Stampanoni, Leiter der Forschungsgruppe Röntgentomografie am PSI und Professor an der ETH Zürich.

Durch Vergleiche mit früheren Untersuchungen an Zähnen heutiger Fledermäuse, die sich von Insekten ernähren, haben die Forschenden gezeigt, dass sich die Muster winziger Vertiefungen und Kratzer (fachsprachlich Microwear) in den Zähnen der beiden Arten Morganucodon und Kuehneotherium deutlich voneinander unterscheiden. Das zeigt, dass die beiden Arten verschiedene Dinge frassen: Morganucodon bevorzugte härtere, „knusprigere“ Nahrung wie etwa Käfer, während sich Kuehneotherium auf weichere Nahrung wie die damals häufigen Skorpionfliegen konzentrierte.

Professor Mark Purnell von der Universität Leicester sagt: „Das ist das erste Mal, dass die Fressgewohnheiten so früher Säugetiere anhand der Abnutzungsmuster der Zähne untersucht worden sind. Dass die Abnutzung so sehr derjenigen bei Fledermäusen ähnelt, die auf bestimmte Nahrung spezialisiert sind, ist ein starker Hinweis darauf, dass auch diese frühen Säugetiere nur bestimmte Dinge frassen.“

Emily Rayfield, Leiterin der Forschungsteams an der Universität Bristol fügt hinzu: „Dieses Forschungsergebnis ist sehr wichtig, denn es zeigt zum ersten Mal, dass Eigenschaften, die heutige Säugetiere auszeichnen – einmaliger Zahnwechsel und die besonderen Strukturen von Kiefergelenk und Innenohr – mit den Entwicklungen bei den ersten Säugetieren verbunden sind. Diese haben spezialisierte Zähne und Kiefer entwickelt, die es ihnen ermöglichten, sich auf unterschiedliche Nahrung zu spezialisieren.“

Text auf Grundlage einer Medienmitteilung der Universität Bristol

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.
 

Kontakt:
Dr Pamela Gill, University of Bristol, Grossbritannien;
Telefon: +44 7799 834 058; E-Mail: pam.gill@bristol.ac.uk;

Professor Emily Rayfield, University of Bristol, Grossbritannien
Telefon: +447752 555 274; E-Mail: e.rayfield@bristol.ac.uk;

Prof. Dr. Marco Stampanoni,
Institut für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und Labor für Makromoleküle und Bioimaging am Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI
Telefon: +41 56 310 47 24 oder +41 44 632 8650
E-Mail: marco.stampanoni@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Dietary specializations and diversity in feeding ecology of the earliest stem mammals
Pamela G. Gill, Mark A. Purnell, Nick Crumpton, Kate Robson-Brown, Neil J. Gostling, Marco Stampanoni and Emily J. Rayfield
Nature, 2014

http://psi.ch/j8ZQ – Medienmitteilung auf der Seite des Paul Scherrer Instituts
http://www.psi.ch/sls/tomcat/tomcat – Tomografie-Strahllinie TOMCAT an der SLS