Zinkisotope: Neue Methode zur Rekonstruktion prähistorischer Ernährungsweise

Was haben unsere Vorfahren einst gegessen? Dies ist eine der häufig gestellten Fragen, die Wissenschaftler jedoch nur unter bestimmten Bedingungen beantworten können. Aus prähistorischer Zeit liegen bisher nur wenig gesicherte Erkenntnisse über die Ernährung der damaligen Tiere und Menschen vor.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben nun eine neue Methode entwickelt, bei der die Isotopenanalyse an Zinkisotopen angewendet wird.

Sie stellten fest, dass sich dieses Verfahren sehr gut eignen könnte, um die Ernährung von fossilen Menschen und auch anderen Säugetieren des Pleistozäns aufzuklären. Zudem sei es sogar möglich, zwischen tierischer und pflanzlicher Kost zu unterscheiden. Die Informationen beruhen dabei vor allem auf Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalysen des Strukturproteins Kollagen in Knochen und Zahnbein.

Fossile Zähne eines Leierhirsches (Rucervus eldii) aus der Fossiliensammlung der Höhle von Tam Ham Marklot. Diese Hirschart ist noch heute in Südostasien und speziell in Laos zu finden. Foto: Nicolas Bourgon

Insbesondere die Stickstoffisotopie erlaubt es, den Konsum tierischer oder pflanzlicher Nahrung zu rekonstruieren. Allerdings überdauern Kollagen, wie Proteine allgemein nicht gut die Zeit. Aus diesem Grund können Forscher mit dieser Methode keine Wirbeltierfossilien untersuchen, die älter als 100.000 Jahre sind.

Der Zeitrahmen verringert sich zudem in trockenen und feuchten tropischen Gebieten sogar auf wenige Tausend Jahre. Dabei gelten besonders diese Gegenden wie Afrika oder Asien als Schlüsselregionen für die menschliche Entwicklung und daher für die Wissenschaft besonders interessant. Mit neuen Methoden wie der Analyse von Zinkisotopen eröffnen sich völlig neue Forschungsperspektiven.

Zinkisotope als Indikatoren für die Art der Nahrung

Die Wissenschaftler analysierten das Verhältnis von zwei verschiedenen Zinkisotopen im Zahnschmelz fossiler Säugetiere. Diese Überreste entdeckten Forscher 2015 in der Höhle Tam Hay Marklot im nordöstlichen Laos. Datiert werden die Funde in das späte Pleistozän, genauer gesagt zwischen 13.500 und 38.400 Jahren.

Die Tam Ham Marklot-Höhle befindet sich im nordöstlichen Teil von Laos (Provinz Hua Pan) inmitten subtropischer Vegetation. Foto: Quentin Boesch

Unter diesen Fossilien sind verschiedene Säugetierarten wie beispielsweise Wasserbüffel, Nashörner, Wildschweine, Rehe, Bären, Orang-Utans und Leoparden.

„Die Höhle liegt in einer tropischen Region, wo organisches Material wie Kollagen generell schlecht erhalten ist. Damit ist der Fundort für uns ideal, um zu testen, ob wir die Unterschiede zwischen Pflanzen- und Fleischfressern mithilfe von Zinkisotopen ermitteln können“, sagt Thomas Tütken, Professor am Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der Studie, in einer Pressemitteilung.

Erhaltung von Nahrungssignaturen

Zink wird mit der Nahrung aufgenommen und als essenzielles Spurenelement in den Bioapatit, die Mineralphase des Zahnschmelzes, eingelagert. Damit hat Zink bessere Chancen, auch über längere Zeiträume erhalten zu bleiben, als kollagengebundener Stickstoff. Die relevante Kennzahl ergibt sich aus dem Verhältnis der Isotope Zink-66 zu Zink-64.

„Anhand von diesem Verhältnis können wir sagen, welche Knochen von Tieren stammen, die sich herbivor, karnivor oder omnivor ernährten. Das heißt, unter den Fossilien können wir die Fleischfresser und Pflanzenfresser herausfinden und klar unterscheiden, während die Allesfresser erwartungsgemäß dazwischen liegen“, sagt Erstautor Nicolas Bourgon vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie.

Muskelfleisch enthält mehr Zink-64 als pflanzliche Nahrung. Fleischfresser wie Tiger haben daher ein geringeres Verhältnis von Zink-66 zu Zink-64 als Pflanzenfresser wie Wasserbüffel. Um auszuschließen, dass die Proben während der langen Lagerung durch äußere Einflüsse wie den Höhlenboden beeinflusst wurden, untersuchte sie zudem das Team um Klaus Peter Jochum am Max-Planck-Institut für Chemie.

Stabile Isotope von Zink, die sich im Zahnschmelz befinden, können die Isotopensignale der aufgenommenen Nahrung konservieren. So können die Forscher feststellen, ob prähistorische Menschen und Säugetiere hauptsächlich tierische oder pflanzliche Nahrung auf dem Speiseplan hatten. Foto: Nicolas Bourgon

Dazu verglichen die Mainzer Forscher mithilfe der sogenannten Laserablations-ICP-Massenspektrometrie die Konzentration und Verteilung von Zink und weiteren Spurenelementen des fossilen Zahnschmelzes. Verglichen mit denen heutiger Tiere stellten die Forscher keine Veränderungen fest.

Zinkisotope in über 100.000 Jahre alte Fossilien

Die Zinkisotopenmethode wurde damit zum ersten Mal erfolgreich an Fossilien angewandt. „Die Zinkisotopenverhältnisse in fossilem Zahnschmelz aus der Höhle Tam Hay Marklot lassen ein ausgezeichnetes langfristiges Erhaltungspotenzial in Zahnschmelz vermuten, selbst unter tropischen Bedingungen“, so die Autoren.

Zinkisotope könnten damit als ein neues Werkzeug dienen, um die Ernährung von fossilen Menschen und anderen Säugetieren zu untersuchen. Dies öffne außerdem eine Tür, um auch prähistorische und geologische Zeiträume zu betrachten, die weit über 100.000 Jahre zurückliegen.

Zukünftig soll mittels der neuen Methode die menschliche Ernährung auf einer Zeitskala rekonstruiert werden, die bis in die Altsteinzeit zurückgeht. Die Wissenschaftler planen darüber hinaus auch Jahrmillionen alte Fossilien von ausgestorbenen Säugetieren sowie Dinosauriern mit der Methode zu untersuchen.

(Mit Material des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig)