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Paläobotanik: Pflanzliche Botschaften aus der Urzeit

In vergangenen Erdzeitaltern sah die Welt ganz anders aus. Pflanzenfossilien zeigen, wie sich Klima und Ökosysteme vor Millionen Jahren wandelten. Diese Einblicke helfen auch, die Folgen des Klimawandels besser einzuschätzen.
Versteinerter Zweig mit Blättern auf einer Schieferplatte.
Versteinerte Pflanzenteile enthalten Informationen über das Klima, in dem sie einst wuchsen.

Es braucht spezielle Detektive in der Wissenschaft, um zu ermitteln, wie sich das Klima in ferner Vergangenheit auf die Pflanzenwelt auswirkte. So wie Eva-Maria Sadowski und Ludwig Luthardt von der Paläobotanik-Gruppe des Berliner Naturkundemuseums. »Pflanzen können nicht weglaufen, sie müssen sich an ihren Standort anpassen«, erklärt der Geoforscher Luthardt. »Diese Anpassung können wir über die Gestalt der Pflanzen und ihre Anatomie erforschen. Deshalb sind Pflanzen ein wichtiges Puzzleteil zur Klimarekonstruktion.« Klimawandel und hohe CO2-Konzentrationen gab es schon früher auf der Erde; warme und kalte Phasen wechseln sich schließlich schon seit Hunderten von Millionen Jahren ab. Doch welche Auswirkungen das Anthropozän, Zeitalter der Menschheit, langfristig auf Ökosysteme hat, ist unklar. Die Pflanzen der Vergangenheit könnten verraten, was die Zukunft bringt.

Sie nämlich könnten entschlüsseln helfen, wie das Klima der Vergangenheit aussah – und was seine Veränderungen mit der Tier- und Pflanzenwelt machten. Dass beides eng zusammenhängt, davon könnten Dinos ebenso wie Baumfarne oder die Glossopteris-Bäume des Urkontinents Gondwana ein Lied singen, wären sie nicht ausgestorben. Es ist zwar unumstritten, dass der menschengemachte Klimawandel sich von all den vorangegangenen in seiner flotten Geschwindigkeit unterscheidet. Um seine Folgen einzuschätzen, müsste man allerdings zuerst wissen, wie sich die Vegetation in einem Klimawandel von Kalt- zur Warmzeit »normalerweise« entwickeln würde, also ohne uns Menschen.

Es mag überraschen, doch geologisch befinden wir uns aktuell in einer Kaltzeit, denn die Polregionen sind (noch) vergletschert und die Durchschnittstemperatur liegt niedriger als in den Warmzeiten zuvor. All das schlägt sich direkt in den Pflanzen nieder. Die Vegetation eines Zeitalters verrät viel über die Umwelt. »Pflanzen agieren generell sehr stark mit ihrer Umwelt – da spielt der Boden mit rein, aber auch die Atmosphäre wie etwa der CO2-Gehalt, Niederschlagsmengen und Temperatur«, erklärt Luthardt.

Landpflanzen veränderten das Klima

Die Forschenden setzen interdisziplinär Indizienketten zusammen, um die Zustände in Ländern vor unserer Zeit abzuleiten. Ihr wichtigstes Hilfsmittel sind Pflanzenfossilien. Über 300 000 versteinerte Überreste einstiger Vegetation, eingebettet in Sedimentgestein, kuratiert Luthardt in einer riesigen Halle mit etlichen Gängen voller alter Schränke. Bisher ist gerade mal ein Viertel dieser riesigen Sammlung inventarisiert, und schon das erforderte jahrzehntelange Arbeit. Da warten also noch viele steinerne Pflanzenzeugnisse darauf, entdeckt und in die Erdgeschichte eingeordnet zu werden, angefangen im Erdaltertum.

Pflanzen betraten die Bildfläche der Kontinente erstmals vor etwa 420 Millionen Jahren, und mit ihnen änderte sich unser Planet grundlegend. Als erste Wälder entstanden, beschleunigte dies die Verwitterung der oberflächennahen Geosphäre – der Boden –, wodurch über Flüsse deutlich mehr Nährstoffe in die Ozeane gespült wurden und das Algenwachstum anregten. Das änderte das Klima, da die Algen im Ozean und die Pflanzen an Land nun im großen Stil das Treibhausgas CO2 der Luft entzogen und damit die Atmosphäre abkühlten. Dadurch vereisten die Pole. Luthardt untersucht Fossilien aus dem Endstadium dieser Eiszeit im späten Paläozoikum, dem Perm, vor etwa 300 bis 250 Millionen Jahren.

»Pflanzen können nicht weglaufen, sie müssen sich an ihren Standort anpassen«Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde Berlin

Die Vegetation der damaligen Tropen war geprägt von Verwandten der Koniferen sowie Farnsamern, Farnen und Urschachtelhalmen, die damals so hoch wie Bäume wuchsen. Das feuchte Klima wurde zunehmend trockener, aber noch bis zum Ende des Perms fand man vereinzelt die im Karbon so typischen »Steinkohlewälder«, die einst den Großteil der tropischen Landflächen der Erde bedeckten. Ihre Bezeichnung verdanken diese Wälder der Tatsache, dass der Mensch sich ihre Ablagerungen als Hauptflöze der Steinkohle wirtschaftlich zu Nutze machte. Dass diese Urzeitwälder im Erdaltertum Kohle bildeten, trug dazu bei, CO2 langfristig aus der Atmosphäre zu ziehen, was auch die damals niedrige Konzentration von 200 bis 300 ppm erklärt (zum Vergleich: 2021 lag sie im Jahresmittel bei 415 ppm). Doch die Konzentration stieg danach wieder an.

»Das Perm ist eine Zeit des globalen Wandels«, erklärt der Geowissenschaftler, »und das Besondere an dieser Periode ist zum einen, dass es diese spätpaläozoische Eiszeit gab, die eine ungefähre Analogie zur heutigen Vereisungsphase darstellt.« Zum anderen sei das Perm besonders, weil sich die Erdplatten zum Superkontinent Pangaea zusammengeschoben hatten und diese einzige große Landmasse ebenfalls das kontinentale Klima beeinflusste. Am Ende des Perms förderten auch noch Vulkane massenhaft Magma als stufenartige Formationen aus Flutbasalten an die Oberfläche, die heute im »Sibirischen Trapp« zu finden sind und die enorme Mengen CO2 in die Atmosphäre stießen.

Eiszeit und Klimawandel im Perm: Eine Analogie zu heute

In dieser Zeit, an der Perm-Trias-Grenze, die zugleich die Grenze zwischen Erdaltertum und Erdmittelalter markiert, ereignete sich dann das größte Massenaussterben der Erdgeschichte: ein globaler Kollaps der Ökosysteme. Unzählige Pflanzen- und Tierarten verschwanden von der Bildfläche, deren Existenz jetzt nur noch Fossilien bezeugen. Allerdings kann der Flutbasaltvulkanismus nicht allein für den Klimawandel verantwortlich gemacht werden, denn die CO2-Konzentrationen stiegen im Perm wohl bereits vorher an. Warum also das Eiszeitalter im frühen Perm geendet hatte und was genau der Auslöser war, konnte noch nicht eindeutig belegt werden.

Das Archiv der Paläobotanik | In der Sammlung des Museums für Naturkunde Berlin liegen Über 300 000 versteinerte Überreste von Pflanzen aus allen Epochen der Erdgeschichte. Sie können viel über das Klima verraten, in dem sie einst wuchsen.

Luthardt, der sich um die Erforschung des versteinerten Waldes von Chemnitz verdient gemacht hat, sucht nach Antworten mittels verschiedener Pflanzenmerkmale, die Rückschlüsse auf die Klimaentwicklung und auf die CO2-Konzentrationen erlauben. Ein Indiz in seiner Interpretationskette könnte beispielsweise das so genannte Leitgewebe der Pflanzen liefern. Das besteht aus winzigen Leitgefäßen, an denen abzulesen ist, wie viel Wasser eine Pflanze durch ihren Stamm transportieren kann beziehungsweise wie hoch ihre Toleranz gegenüber Trockenstress ist.

Das Leitgewebe zeigt eine wichtige Anpassung an trockene beziehungsweise feuchte Standorte. Pflanzen mit hoher Kapazität für den Wassertransport können viel verdunsten, so dass ein feuchter Standort vorausgesetzt werden kann – bei Trockenheit reduziert eine Pflanze den Wassertransport und die Verdunstungsmöglichkeiten. Das zeigte Luthardt 2021 in seinem Review-Paper bei einer paläobotanischen Fachzeitschrift am Beispiel der so genannten Farnsamer. Der Klimaforscher folgert: »Wenn wir wissen, wie viel Wasser letztendlich über die Blätter verdunstet, können wir ableiten, was am Ende statt des Wassers wieder als CO2 in der Pflanze aufgenommen wird. So erhalten wir ein Indiz dafür, wie hoch die CO2-Konzentration im Perm war.«

Wie versteinerte Pflanzen urzeitliche CO2-Konzentrationen überliefern

Ein weiteres Indiz liefern die Stomata – die Spaltöffnungen eines Blatts, durch die bei Öffnung Wasser entweicht, sobald die Pflanze CO2 aufnimmt. Die Dichte der Stromata auf der Blattoberfläche ist in etwa proportional zum CO2-Gehalt der Atmosphäre. So schätzten Forschende bislang die CO2-Konzentrationen der Erdgeschichte ab oder auch mittels Isotopenmessungen von Kalziumkarbonaten in den Ozeanen. Aber Luthardt will eine von Stomata- und Isotopendaten unabhängige Methode entwickeln und testet nun, ob seine Rekonstruktion über die Leitgefäße mit Stomata-Messungen konsistent ist. »Schließlich umfasst die Physiologie einer Pflanze ja mehr als nur ihre Spaltöffnungen«, bemerkt er.

Am Mikroskop misst Luthardt die Anordnung, Gestalt und Dimensionen der Leitgefäße – wenn er denn welche innerhalb seiner riesigen Fossiliensammlung findet. Denn es gibt ein großes Problem, wie er erläutert: »Im Perm haben wir eine ›Erhaltungslücke‹! Das Klima war zu der Zeit ungünstig für Pflanzen und ihre Erhaltung, weil die durch trockenes Klima verursachten oxidierenden Verhältnisse im einbettenden Gestein die Fossilwerdung hemmen«, sagt Luthardt. »Pflanzenreste sind in Sedimentgesteinen trockener Klimaregionen also kaum überlieferungsfähig. Deshalb finden wir ab dem mittleren Perm nur noch selten Belege über die Flora und versuchen mit jedem einzelnen Fossil diese Überlieferungslücke zu schließen.«

Doch nicht nur Pflanzenfossilien aus dem Perm erzählen spannende Geschichten über das Klima. Auch im Erdmittelalter und in der Erdneuzeit finden Paläobotaniker Klimazeugnisse – sogar ohne Überlieferungslücke. Für Eva-Maria Sadowski etwa, die die Bernsteinsammlung am Naturkundemuseum erforscht, sind ihre Forschungsobjekte das Kontrastprogramm zu Luthardts Perm-Sammlung: hervorragende Erhaltung bei allerdings sehr geringer Stückzahl. Weniger als 40 000 Bernsteinproben lagern im Museum, und fast alle der ohnehin seltenen Bernsteininklusen sind darüber hinaus zoologischen Ursprungs – Insekten zum Beispiel. Generell enthält nur etwa ein Prozent aller gefundenen Einschlüsse in Bernstein Pflanzen.

Diese ungleiche Verteilung habe vermutlich mit der Entstehungsgeschichte der Einschlüsse zu tun, mutmaßt die Paläobotanikerin und Bernsteinforscherin: »Ein Insekt kann aktiv in einen klebrigen Harztropfen fliegen, während ein Pflanzenfragment passiv hereingeweht werden muss – Pflanzen können sich ja nicht von allein in den Harzfluss hineinbewegen.«

Es gab viele Bernsteinwälder

Jedenfalls sei dieses eine Prozent an kostbaren Pflanzeninklusionen aber fantastisch erhalten, schwärmt die Paläobotanikerin: »Wir haben in Bernstein eine dreidimensionale Erhaltung, das heißt, wir haben keine Kompression wie bei Fossilien aus Steinsediment, sondern eine Weichkörpererhaltung. Wir haben auch Erhaltung auf subzellulärem Level – wenn man Glück hat, erkennt man also sogar Zellinhalte, dies aber nur unter Anwendung hochauflösender Mikroskope wie dem TEM.«

»Wir können in der Paläobotanik Evolution sichtbar machen«Eva-Maria Sadowski, Museum für Naturkunde Berlin

Es gab in der Erdgeschichte mehrere Zeiten mit besonders viel Bernsteinvorkommen, die Fachleute als »amber burst« bezeichnen. Die Wälder hingegen, in denen die Millionen Tonnen von Harzen als Grundlage für den Bernstein entstanden, heißen Bernsteinwälder. Die Ursache für »amber burst« ist meist zwar nicht bekannt, aber es wird angenommen, dass eine Vielzahl an Faktoren zur übermäßigen Harzproduktion beigetragen hat.

Einer der ersten »amber burst« ereignete sich wohl in Italien während der Trias vor über 230 Millionen Jahren. Man vermutet, dass ein Klimawandel die vermehrte Harzproduktion ausgelöst haben könnte. Denn die Entstehungszeit fällt zusammen mit der so genannten »Carnian pluvial episode«, bei der sich das Wetter von sehr trocken zu warm und feucht geändert hatte. Diese Klimaänderung könnte die Harzproduzenten gestresst und zu vermehrter Harzproduktion und -ausscheidung geführt haben. Dies hatte einen »amber burst« zur Folge, wie Forschende in Fachzeitschriften vermuten.

Große Bernsteinvorkommen gab es beispielsweise auch aus der Kreidezeit vor 99 Millionen Jahren, insbesondere aus Myanmar. Bekannt sind zudem Bernsteinlagerstätten aus dem Miozän von vor etwa 13 bis 19 Millionen Jahren, etwa aus der Dominikanischen Republik und Mexiko. Am prominentesten hier zu Lande ist aber das starke Bernsteinvorkommen in Europa – der Baltische Bernstein, den viele aus Ostseeurlauben kennen.

Überraschende Erkenntnisse dank Teilchenbeschleuniger

Sadowski forscht intensiv an Pflanzeneinschlüssen in diesem Baltischen Bernstein aus dem Paläogen von vor etwa 38 Millionen Jahren. Für die Paläobotanikerin ist dieser verhältnismäßig junge Zeitabschnitt bis heute so interessant, weil sich darin unsere Flora entwickelt hat, wie wir sie jetzt kennen. Damit lassen sich Wälder damals und heute konkret vergleichen.

Für ihre Untersuchungen nutzt die Bernsteinforscherin sowohl Lichtmikroskopie als auch moderne Technologien wie Computertomografie (CT) und Elektronenmikroskopie, wie sie in der Fachzeitschrift »Earth-Science Reviews« erläuterte. Das verhalf ihr schon zu überraschenden Erkenntnissen: Einmal konnte sie zum Beispiel eine in einem Bernstein eingeschlossene Blüte nicht eindeutig zuordnen, weil die typischen Merkmale von Schuppen verdeckt waren.

Ein Farn in Bernstein | Unter dem Mikroskop untersuchen Fachleute ein in Bernstein eingeschlossenes Blatt.

Statt diese Probe aus dem baltischen Bernsteinwald wie früher üblich nur unter dem Lichtmikroskop zu untersuchen, scannte sie die Probe aufwändig im Hamburger DESY-Synchrotron, einem Teilchenbeschleuniger, der mit einer Micro-CT-Endstation ausgestattet ist. So wie von einem Patienten in der Röhre erhält die Forscherin damit viele Einzelbilder aus verschiedenen Winkeln, die sich am Computer zu einem 3-D-Modell zusammensetzen lassen. »Wir können den Einschluss digital sezieren, ohne ihn dabei zerstören zu müssen«, sagt die Paläobotanikerin.

So wurde sie bei der ominösen Probe von einer fantastischen Detailerhaltung der inneren Blütenorgane überrascht: Die Blüte entlarvte sich als die im Paläogen typischerweise in Sümpfen und Mooren wachsende Scheinkastanie (Castanopsis ), die es heute unter anderem in Asien gibt, aber längst nicht mehr in Europa. Dieser Überraschungsfund lieferte Sadowski das Indiz dafür, dass es auch in der Region des Bernsteinwalds Sümpfe und Moore gegeben haben muss, wie sie 2018 in einer Fachzeitschrift berichtete.

Doch Sadowski betrachtet niemals ein Fossil allein, wenn sie ihre Ergebnisse in verschiedenen Fachjournalen einordnet. »Wir müssen die Pflanzen, die wir gefunden haben, in ihrer Gesamtheit betrachten. Also nicht nur die eine Blüte, sondern auch andere Einschlüsse wie Nadeln und Blütenstände, die wir bestimmen konnten«, erklärt die Forscherin. »Dann macht man Vergleiche mit Floren und der Ökologie von heute sowie aus der Fossilgeschichte. Daraus bilden wir eine Synthese, die uns sagt: Der baltische Bernsteinwald war wahrscheinlich ein warm temperierter Wald und sehr divers an verschiedenen Pflanzen, die heute vor allem in Asien und Nordamerika beheimatet sind.«

»Früher wurde mit Paläobotanik Kohle aus der Erde geholt; heute hilft sie, die Folgen des Kohlebergbaus zu verstehen«Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde Berlin

Die Bernsteinforscherin vergleicht zudem morphologische Unterschiede der Pflanzen heute mit denen in ihren Fossilien und freut sich: »Bernstein ist ein wunderbares Fenster in diese Zeit und den damaligen Wald. Wir können in der Paläobotanik Evolution sichtbar machen! Und was ich auch spannend finde: Wir können zeigen, dass es Entwicklungen gibt, die zum Teil in eine Sackgasse führen (also Pflanzenarten, die aussterben). Das Verständnis über die Evolution der Wälder in der Erdgeschichte erlaubt nämlich eine Vorstellung davon, wie Wälder mit der derzeitigen Klimakrise zurechtkommen könnten.«

Manche uralte Pflanzen würden den Klimawandel nicht überstehen

Bei manchen Pflanzen sieht man bereits heute, wie sie etwa unter der Trockenheit des wandelnden Klimas leiden, aber unser kurzzeitiges Beobachtungsfenster erlaubt kaum Prognosen. Denn inwieweit Pflanzenarten im Stande sein werden, sich neuen Bedingungen anzupassen, könnte uns noch überraschen, hofft Sadowski. Allerdings könne man zuweilen anhand der paläobotanisch ableitbaren Verbreitungsmuster auch kritische Überlebenschancen ablesen. Etwa bei der heute in Ostasien heimischen Sicheltanne (Cryptomeria), die es sogar schon im baltischen Bernsteinwald gegeben hat, wie Einschlüsse bezeugen.

Die Cryptomeria findet man heute ausschließlich in gemischten, immergrünen, regenreichen Wäldern. Die dort vorherrschenden feuchten Bedingungen waren bereits in der erdgeschichtlichen Vergangenheit der Sicheltanne ausschlaggebend, wie die Einbeziehung von Fossilfunden und Klimadaten zeigt: »Aus der Paläoökologie wissen wir, dass diese speziellen klimatischen Bedingungen essenziell sind für das Überleben dieser Pflanze. Wenn sich Klimabedingungen nun ändern, es etwa trockener wird, wäre es jedoch möglich, dass Cryptomeria damit nicht gut klarkommen würde«, sagt die Forscherin. «Weitere Stressfaktoren wie Abholzung dürften dieser einen Art, die auch nur zwei Varietäten und somit einen eingeschränkteren Genpool hat, geringere Überlebenschancen einräumen.« So wünscht sich Sadowski auch für andere Pflanzenfamilien und -gattungen eine Art historisches Profil, um die zukünftige Anpassungsfähigkeit insgesamt besser einschätzen zu können.

Ein tieferes Verständnis für die Ökosysteme der Erdgeschichte streben sowohl Sadowski als auch Luthardt an – das haben beide gemeinsam, trotz ihrer unterschiedlichen Methoden, Fossilien und Erdzeitalter. Sie sammeln Indizien für ein komplexes System, denn Ökosysteme könne man als Ort der Interaktion zwischen drei Sphären begreifen: der Geosphäre (also dem Boden), der Biosphäre und der Atmosphäre. Luthardt verdeutlicht: »Alle drei Aspekte haben sich in der Erdgeschichte stark verändert, und diese Änderungen besser zu verstehen, ist unsere Aufgabe.«

So habe sich auch die Motivation der paläobotanischen Disziplin grundlegend geändert, wie Luthardt bemerkt: »Früher hatte die Paläobotanik eine Daseinsberechtigung darin, die Kohle aus der Erde zu holen, also die Erschließung von Kohlelagerstätten zu optimieren. Heute liegt der Fokus aber darauf, die Folgen dieses Kohlebergbaus im Gesamtkontext unseres Erdklimas besser einzuordnen.«. Sadowski versucht anderen mit der Paläobotanik zu vermitteln, wie lange die Evolution gebraucht hat, um dahin zu kommen, wo wir jetzt stehen. »Wir Menschen sind in der Erdgeschichte nur ein Wimpernschlag und schaffen es trotzdem, innerhalb von ein paar hundert Jahren das zu zerstören, was Millionen Jahre gebraucht hat, um zu entstehen. Das sollte uns eigentlich ein bisschen Demut beibringen.«

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