Erforschung der Veränderungen von Ammonitenschalen aus der Mittleren Trias von Nevada

Im Sommer 2017 startete unser von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziertes Projekt über die Ammoniten in Nevada aus der Triaszeit. Das Studiengebiet umfasst zwei Lokalitäten im Pershing County von Nevada: Den Fossil Hill in der Gebirgskette der Humboldt Range und den Muller Canyon in den Augusta Mountains. An beiden Orten sind Gesteine des Fossil Hill Members aufgeschlossen, das vor rund 245 Millionen Jahren (Anisium, Mittlere Trias) abgelagert wurde. Im Rahmen dieses Projektes haben wir die Variationsbreite von Ammoniten in diesem Member untersucht. Ein Member ist eine geologisch-stratigraphische Untereinheit einer Formation, die während einer bestimmten Zeit an einem klar definierten Ort abgelagert wurde.

1. Hintergrund

Im Verlauf der Erdgeschichte gab es fünf große Massenaussterben: die sogenannten „Big Five“. Im Zuge dieser Ereignisse starben mindestens drei Viertel aller Tierarten während – geologisch gesehen – kurzen Zeitintervallen aus (Barnosky et al., 2011). Das größte der fünf Massensterben war jenes an der Grenze Perm/Trias (e.g. Erwin, 1994; Benton, 1995) vor rund 252 Millionen Jahren. Während dieser Zeitperiode hat sich die Anzahl aller marinen Arten um 80 bis 96 Prozent vermindert (Sahney and Benton, 2008).

Das Wettrüsten zwischen Jägern und Gejagten – die „Mesozoische Marine Revolution“

Nach dem Kollaps, der das Massensterben an der Perm/Trias-Grenze begleitete, mussten sich alle Nahrungsnetze wieder neu etablieren. In seiner klassischen Arbeit hat Vermeij (1977) die Bezeichnung der „Mesozoischen Marinen Revolution (MMR)” eingeführt. Der Begriff bezeichnet die Re-Organisation der Jäger-Beute-Wechselbeziehungen nach dem Perm-Trias-Massensterben. Vermeij vermutete, dass die Ausbildung besserer Nahrungsapparate der Raubtiere zur Entwicklung neuer Verteidigungsstrategien der Beute führte. Die besseren Abwehrtechniken der Gejagten führte dann wiederum zu effizienteren Jagdstrategien der Prädatoren. Dieses „Wettrüsten“ führte schlussendlich zur Entstehung neuer Formen auf beiden Seiten der Nahrungskette.

Der Superozean Panthalassa zur Zeit der Trias

Während der Stufe des Anisiums (frühe Mittlere Trias) befand sich das Gebiet des heutigen Nevadas größtenteils in mitteltiefen Bereichen des Superozeans Panthalassa. Zur selben Zeit existierte in Deutschland das vergleichsweise kleine und geschützte Muschelkalkmeer des Germanischen Beckens. Im Gegensatz zum Superozean Panthalassa war das Muschelkalkmeer ein flaches, auf dem Kontinent liegendes Meer, welches zu den meisten Zeiten von den Weltozeanen isoliert war. Da die marine Fauna der Trias in den Gebieten des heutigen Nevada und Deutschlands nicht in Kontakt zueinander standen, haben sich in den beiden Meeren unterschiedliche Tierarten entwickelt.

Eine Tierklasse, die sich gut für die Beobachtung solcher Unterschiede eignet, sind Ammoniten. In der Trias des nordwestlichen Nevada kommen Ammoniten relativ häufig vor. Aufgrund der besonders guten Erhaltung und des zahlreichen Vorkommens von Fossilien im Fossil Hill Member (Prida- und Favret-Formation, Star Peak Gruppe) haben wir diesen Abschnitt im Rahmen dieses Projektes genauer untersucht. Um ein besseres Bild über die Ablagerungsbedingungen und den geologischen Begebenheiten während der Zeit der Mittleren Trias zu erhalten, haben wir die aus Karbonat- und Mergelschichten bestehende Sequenz Stück für Stück angeschaut. Dabei haben wir eine vereinfachte Skizze der Ablagerungen im Maßstab 1:10 angefertigt. So sind geologisch-stratigraphische Profile am Fossil Hill (Humboldt Range) und im Muller Canyon (Augusta Mountains) entstanden.

Die Ammoniten von Nevada

Die diverse Ammonitenfauna der Trias wurde erstmals von James Perin Smith (1914) beschrieben. Der taxonomische Ansatz dieser Arbeit wurde von einer Reihe von Arbeiten, wie Silberling and Nichols (1982) und Monnet and Bucher (2005), verfeinert. Diese Forschungen führten auch zur Etablierung einer detaillierten Biostratigraphie.

Während die Fossilien in den Augusta Mountains meist sehr gut erhalten sind, können lokale Störungen in der Humboldt Range zu einer etwas schlechteren Erhaltung der Fossilien führen (z.B. Lucas et al. 2007). Die wichtigsten morphologischen Merkmale sind jedoch auch an den Fossilien vom Fossil Hill meist gut erkennbar. Zusammen mit der lückenlosen stratigraphischen Abfolge des Fossil Hill Members stellt die gute Erhaltung der Fossilien eine solide Grundlage für paläoökologische Untersuchungen dar.

2. Sinn und Zweck der Studie

Das übergreifende Ziel dieses Projektes ist es, Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Entwicklungen von Ammoniten und Veränderungen in deren Umwelt aufzudecken. Die Zeit der Mittleren Trias war stark von der Entwicklung neuer Tierarten geprägt. Sie ist gekennzeichnet durch viele sich ändernde Umweltfaktoren, inklusive einer ansteigenden Artenzahl von Räubern. Die Einbeziehung und Analyse dieser Faktoren ist notwendig, um den Einfluss von Umweltschwankungen und Veränderungen in der Raubtier-Beute-Beziehung auf die Ausbildung neuer Formen zu beurteilen.

Die unterschiedlich starke Beeinflussung von Jägern und Beute drückt sich insbesondere durch die Art und Anzahl der Schalenschäden von Ammoniten aus. Deshalb planen wir, Beobachtungen über Beschädigungen der Schalen in das Projekt zu integrieren. Um statistisch relevante Aussagen machen zu können, brauchen wir im Allgemeinen eine hohe Anzahl an Fossilien.

3. Methoden

Um unsere Forschungsziele zu erreichen, haben wir die folgenden Schritte geplant bzw. bereits durchgeführt:

1. Aufnehmen von Profilen am Fossil Hill (Humboldt Range) und im Muller Canyon (Augusta Mountains) in Nevada. Währenddessen haben wir auch Proben für chemostratigraphische und mikrofazielle Analysen gesammelt.
2. Horizontiertes Sammeln einer großen Anzahl von Ammoniten aus ausgewählten stratigraphischen Niveaus.
3. Aufbereitung des gesammelten Materials im Labor der Geowissenschaftlichen Sammlung der Universität Bremen.
4. Analyse der Variabilität in einzelnen Horizonten. Dabei werden wir eine Bestandsaufnahme der morphologischen Merkmale mit geometrischen und morphometrischen Methoden erstellen.
5. Identifizierung einzelner Gruppen mittels multivariaten statistischen Programmen (PAST, R). Dieser Schritt beinhaltet auch die fotografische Dokumentation allgemeiner Morphologien. Wir planen Bilder von allen Seiten von ungefähr 80 Exemplaren zu erstellen.
6. Qualitative und quantitative Analysen der Paläopathologien, auch mit Hilfe von Untersuchungen am Raster-Elektronen-Mikroskop. Damit wollen wir die Lebensstile von Ammoniten-Faunen rekonstruieren.
7. Untersuchung und Interpretation der Karbonat-Mikrofazies und der Chemostratigraphie (δ¹³C) der untersuchten Profile.

4. Relevanz dieser Studie

Die Erforschung von Ammoniten im Hinblick auf die „Mesozoische Marine Revolution“ rückt immer mehr in den Fokus der aktuellen Forschung. Die Studie von Kerr und Kelley (2015) behandelt vor allem die Rekonstruktion der Todesursachen der Tiere. Über die Raubtier-Beute-Wechselwirkung bei Ammoniten sowie deren morphologischen Veränderungen ist jedoch nur wenig bekannt. Zusätzlich zu qualitativen Einzelstudien (z.B. Wright et al., 2014; Maddra, 2015) wurden diese Themen im Gebiet der quantitativen paläobiologischen Forschung in jüngster Zeit vermehrt behandelt (Takeda and Tanabe, 2015). Daher ist die Untersuchung der Variationen der einzelnen Formen als Folge des individuellen Entwicklungsstandes des Tieres, von Störungen des Lebensraumes und von entwicklungsbedingten Instabilitäten ein zukunftsträchtiges Forschungsgebiet, das im Fokus verschiedener neuerer Publikationen steht (z. B. Klug et al., 2016; Lehmann et al., 2016; Owniak, 2012; Patzkowsky and Holland, 2012; Schlüter, 2016). Bislang sind die meisten Studien auf diesem Gebiet jedoch immer noch Pionierarbeiten. Eine Herausforderung bei solchen Untersuchungen ist das Finden geeigneter Aufschlüsse. Denn die untersuchten Abfolgen sollten keine Aufschlusslücken aufweisen und über eine genügend große Anzahl gut erhaltener Fossilien pro stratigraphischer Schicht verfügen. Zudem sollten die Qualität und die Art der Erhaltung der Fossilien der unterschiedlichen Lokalitäten vergleichbar sein.

Die hervorragenden Aufschlussbedingungen und die Fossil-Häufigkeiten im nordwestlichen Nevada, bieten somit eine solide Grundlage für morphologische Studien. Durch das horizontierte Sammeln der Fossilien kann eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung erreicht werden. Ziel dieses Projektes ist es, das hohe Potential der Triasablagerungen im nordwestlichen Nevada zu nutzen. Die Erforschung der taxonomischen und morphologischen Veränderungen wird uns neue Einblicke in die Welt der Ammoniten offenbaren.

Ein wichtiger Teil des stratigraphischen Ansatzes unserer Studie ist die Einbeziehung von Chemostratigraphie (δ¹³C). Lucas et al. (2007) zufolge wurde in der Trias von Nevada bisher noch keine δ¹³C-Analyse veröffentlicht. Da Kohlenstoffisotope ein wertvolles Hilfsmittel bei Korrelationen einzelner Profile sind, liefert diese Studie somit auch wichtige Basisdaten für die Stratigraphie dieses Gebietes und der Trias von Nordamerika im Allgemeinen. Zusätzlich wird die Chemostratigraphie das stratigraphische Grundgerüst für diese Region verfestigen.

Literatur:

• Barnosky, A.D., Matzke, N., Tomiya, S., Wogan, G.O.U., Swartz, B., Quental, T.B., Marshall, C., McGuire, J.L., Lindsey, E.L., Maguire, K.C., Mersey, B., Ferrer, E.A., 2011. Has the Earth/’s sixth mass extinction already arrived? Nature 471, 51-57.
• Benton, M.J., 1995. Diversification and Extinction in the History of Life. Science 268, 52-58.
• Erwin, D.H., 1994. The Permo-Triassic extinction. Nature 367, 231-236.
• Klug, C., De Baets, K., Korn, D., 2016. Exploring the limits of morphospace: Ontogeny and ecology of late Viséan ammonoids from the Tafilalt, Morocco. Acta Palaeontologica Polonica 61, 1-14.
• Lehmann, J., von Bargen, D., Engelke, J., Claßen, J., 2016. Morphological variability in response to palaeoenvironmental change – a case study on Cretaceous ammonites. Lethaia 49, 73-86.
• Maddra, R., 2015. Bitten ammonites from the upper Lias Group (Lower Jurassic) of Saltwick Bay, Whitby, North Yorkshire, UK. Proceedings of the Yorkshire Geological  Society 60, 153.
• Monnet, C., Bucher, H., 2005. New Middle and Late Anisian (Middle Triassic) ammonoid faunas from Northwestern Nevada (USA): Taxonomy and biochronology. Fossils and Strata 52, 1-121.
• Owniak, E., 2012. The perisphinctid genus Prososphinctes Schindewolf (Ammonoidea, subfamily Prososphinctinae nov.): an indicator of palaeoecological changes in the Early Oxfordian Submediterranean sea of southern Poland. Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie, Abhandlungen 264, 117-179.
• Patzkowsky, M.E., Holland, S.M., 2012. Stratigraphic Paleobiology. Understanding the distribution of fossil taxa in time and space,  The University oc Chicago Press, Chicago, p. 256.
• Péron, S., Bourquin, S., Fluteau, F., Guillocheau, F., 2005. Paleoenvironment reconstructions and climate simulations of the Early Triassic: Impact of the water and sediment supply on the preservation of fluvial systems. Geodinamica Acta 18, 431-446.
• Sahney, S., Benton, M.J., 2008. Recovery from the Most Profound Mass Extinction of All Time. Proceedings: Biological Sciences 275, 759-765.
• Schlüter, N., 2016. Ecophenotypic variation and developmental instability in the Late Cretaceous echinoid Micraster brevis (Irregularia; Spatangoida). PLoS ONE 2016, 1-26.
• Silberling, N.J., Nichols, D.J., 1982. Middle Triassic molluscan fossils of biostratigrahic significance from the Humboldt Range, northwestern Nevada. U.S. Geological Survey Professional Paper.
• Smith, J.P., 1914. The Middle Triassic marine invertebrate faunas of North America, Professional Papers U.S. Geological Survey 83. Washington, p. 254.
• Takeda, Y., Tanabe, K., 2015. Low durophagous predation on Early Toarcian (Early Jurassic) ammonoids in the northwestern Panthalassa shelf basin. Acta Palaeontologica Polonica 60, 781-794.
• Vermeij, G.J., 1977. The Mesozoic Marine Revolution: Evidence from snails, predators and grazers. Paleobiology 3, 245-258.
• Wright, J.K., Bassett-Butt, L., Collinson, M., 2014. Fatally bitten ammonites from the Lower Calcareous Grit Formation (Upper Jurassic) of NE Yorkshire, UK. Proceedings of the Yorkshire Geological Society 60, 1.

Im Rahmen des Projektes “Wissenschaft fürs Wohnzimmer” wurde die Forschung als Vortrag präsentiert.