Die Verhältnisse der stabilen Isotope des Sauerstoffs (16O, 17O, 18O) und des Kohlenstoffs (12C, 13C) im biogenen Apatit des Zahn- und Knochenmaterials von Säugetieren lassen Rückschlüsse auf die Isotopie der entsprechenden Sauerstoff- und Kohlenstoffquellen zu. Die Isotopenverhältnisse dieser Quellen (z.B. Trinkwasser, Luftsauerstoff, Nahrung) sind an bestimmte Umwelt- und Klimabedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Bioproduktivität, Art der Vegetation, Grad der Vegetationsdichte etc. geknüpft. Bestimmt man die Sauerstoff- und Kohlensoffisotopenverhältnisse in diagenetisch unalteriertem fossilem Säugetiermaterial können Aussagen über solche Klima- und Umweltparameter weit in die Erdgeschichte zurück getroffen werden. Darüber hinaus ist es möglich Informationen über Lebensweise und Verhalten der untersuchten Taxa, wie z.B. Wanderverhalten, Geburtensaisonalität, Trinkverhalten, Nahrungspräferenzen, Ressourcenteilung und Habitatnutzung zu erlangen.
Seit dem Beginn der Forschungen auf diesem Gebiet in der 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ist eine große Zahl von Studien erschienen, welche sich der Untersuchung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie (18O/16O, 13C/12C) des Zahn- und Knochenmaterials rezenter und fossiler (vorwiegend großer) Säugetiere zu diesen Zwecken widmen. Noch keine zwei Jahrzehnte ist es her, dass erkannt wurde, das troposphärischer Sauerstoff eine anomale 3-O-Isotopenzusammensetzung (17O/16O, 18O/16O) besitzt, die signifikant von fast allen anderen terrestrischen Materialien abweicht. Diese wird in Folge von nicht massenabhängiger Fraktionierung durch photochemische Prozesse in der Stratosphäre hervorgerufen und durch Gasaustausch in die Troposphäre übertragen. Die Magnitude dieser Sauerstoffisotopenanomalie ist eine Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration, sowie der globalen Bioproduktivität. Kann die 3-O-Isotopie des Luftsauerstoffs zu vergangenen Zeitpunkten in der Erdgeschichte rekonstruiert werden, lässt dies somit auch Rückschlüsse auf die entsprechende CO2-Konzentration bzw. die globale Bioproduktivität zu. Geologische Archive die dies ermöglichen sind jedoch kaum vorhanden.
Da für Säugetiere der eingeatmete Luftsauerstoff neben Trinkwasser und freiem Wasser in der Nahrung zu den wichtigsten Sauerstoffquellen zählt, ist biogener Apatit rezenter und fossiler Säugetiere eines der wenigen möglichen Materialien die das Potential haben, ein solches Archiv darzustellen.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Variation der 3-O-Isotopenzusammensetzung im Bioapatit rezenter Säugetiere, sowie deren Bedeutung als neuen Proxy zur paläo-CO2-Rekonstruktion und als Indikator für diagenetisch alteriertes Skelettmaterial. Desweiteren werden zwischenartliche, innerartliche und intraindividuelle Variationen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie im Bioapatit rezenter Nagetiere untersucht um eine bessere Interpretationsgrundlage für entsprechende Analysedaten fossiler Vertreter dieser größten Ordnung der Säugetiere herzustellen.
Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Frage, ob die anomale Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs als Indikator für diagenetische Alteration des Zahn- und Knochenmaterial von fossilen Säugern genutzt werden kann. Hierzu wurde die 3-O-Isotopie von Zahnschmelz, Dentin und in geringem Umfang auch Knochenmaterial von einzelnen Individuen känozoischer Nagetiere separat analysiert. Während alle Zahnschmelzproben eine deutliche Sauerstoffisotopenanomalie aufweisen, welche in einer Größenordnung liegt die für diagenetisch unalterierten Bioapatit kleiner Säugetiere zu erwarten wäre, zeigen alle Dentinproben eine deutlich niedrigere bis gar keine Anomalie, was auf Isotopenaustausch mit diagenetischen Fluiden hindeutet.
In Kapitel 3 werden die Variationen der anomalen Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs im Skelettmaterial von rezenten Säugetieren evaluiert. Dies geschieht anhand zweier voneinander unabhängiger Ansätze: 1. durch 3-O-Isotopenanalyse von rezentem Bioapatit und 2. durch ein detailliertes Massenbilanzmodell. Da der Anteil des veratmeten Luftsauerstoffs im Verhältnis zu den weiteren Sauerstoffquellen in erster Linie von der spezifischen metabolischen Rate abhängt, die weitgehend mit dem Körpergewicht skalierbar ist, wurden Arten aus einem möglichst großen Körpergewichtsbereich von wenigen g bis zu einigen tausend kg untersucht. Es zeigte sich, dass das anomale Isotopensignal mit sinkender Körpermasse zunimmt. Auf Basis der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde versucht die Magnitude der anomalen Sauerstoffisotopensignatur in der Troposphäre zu verschiedenen Zeitpunkten im Känozoikum durch 3-O-Isotopenanalyse von eozänem, oligozänem und miozänem Zahnschmelzmaterial von Nagetieren zu bestimmen um daraus Erkenntnisse über die entsprechenden CO2-Konzentrationen zu erhalten. Das theoretische Massenbilanzmodell stimmt gut mit den analytisch gewonnenen Daten überein, beide zeigen eine Vergrößerung der 3-O-Isotopenanomalie im Bioapatit mit sinkender Körpermasse. Die rekonstruierten CO2-Konzentrationen stimmen generell mit vorhandenen Daten diverser Proxies überein, jedoch erlaubt der assoziierte Fehler es nicht, CO2-Schwankungen im Bereich von wenigen 100 ppm aufzulösen.
An der Grenze von Paläozän zu Eozän fand eine der einschneidendsten Umwelt- und Klimaveränderungen des Känozoikums statt, welche ihren Höhepunkt im sogenannten “Palaeocene Eocene Thermal Maximum” (PETM) hatte. Dieses war verbunden mit einer globalen negativen Kohlenstoffisotopenexkursion (CIE), deren Quelle bis heute kontrovers diskutiert wird. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Temperaturschwankungen und Veränderungen der CO2-Konzentration im Übergangsbereich dieser beiden Zeitalter. Dies geschieht anhand einer diesen Zeitabschnitt umspannenden Probenserie von Zahnschmelz der Säugetiergattung Ectocion aus dem Clarks Fork Basin (Wyoming, USA). Die rekonstruierten Temperaturschwankungen stimmen gut mit bereits vorhandenen Studien des 18O/16O Verhältnisses an biogenem Apatit aus diesem Zeitintervall überein. Die aus der 3-O-Isotopenzusammensetzung rekonstruierten CO2-Konzentration deuten darauf hin, dass auch während des Temperaturmaximums an der Paläozän-Eozän Grenze ein Wert von 1550 ppm nicht überschritten wurde, was auf die Dissoziierung von marinem Methanhydrat als Hauptquelle der CIE hinweist.
Kapitel 5 untersucht die zwischenartlichen, innerartlichen und intraindividuellen Variationen der Karbonatsauerstoff-, Phosphatsauerstoff- und Kohlenstoffisotopie sieben verschiedener Nagetierarten anhand von Proben aus Eulengewöllen eines einzelnen Fundortes. Die Ergebnisse werden mit ähnlichen Studien an Großsäugern verglichen, und es werden Schlüsse zum Umgang mit Probenmaterial kleiner Säugetiere bei der Verwendung zur Paläoklimarekonstruktion mittels stabiler Isotope gezogen. Die Variabilität der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie der untersuchten Zähne und Knochen ist nicht höher als die vieler Großsäuger, was die Relevanz der im Fossilbericht viel häufigeren Nagetiere für derartige Studien unterstützt. Jedoch sollte strikt darauf geachtet werden, dass auf Rezentmaterial basierende Bioapatit-Temperatur-Kalibrationen exakt auf dem gleichen Skelettelement beruhen welches auch als Fossilmaterial untersucht wird, da durch die unterschiedliche Mineralisierungsintervalle verschiedener Zähne und Knochen deutliche Unterschiede in den entsprechenden Isotopenzusammensetzungen, insbesondere in der des Sauerstoffs beobachtet werden konnten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-000E-00FE-3 |
| Date | 18 January 2013 |
| Creators | Gehler, Alexander |
| Contributors | Pack, Andreas Prof. Dr. |
| Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis |
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