Wie die frühesten Säugetiere neben den Dinosauriern gediehen

Im frühen Jura vor 185 Millionen Jahren bricht die Nacht herein, und das Kayentatherium kümmert sich um seine frisch geschlüpfte Brut. Heftige Regenfälle prasseln auf die Böschung über ihrer Höhle, während sie über ihre Dutzende von winzigen Jungen wacht. Sie ist etwa so groß wie eine große Katze und könnte leicht als Säugetier durchgehen, aber ihr großer Kieferknochen, die charakteristischen Zähne und das Fehlen äußerer Ohren verraten sie: Sie ist ein Kynodont, ein Mitglied der Gruppe, aus der sich die Säugetiere entwickelt haben. Irgendwann, ohne Vorwarnung, stürzt die aufgeweichte Bank ein und begräbt die Jungen und ihre Mutter im Schlamm.

Dort blieben sie bis zum Sommer 2000, als ein Fossilienjagdteam unter der Leitung von Timothy Rowe von der University of Texas in Austin zufällig auf die verstreuten Knochen in den Felsen der Kayenta-Formation im Norden Arizonas stieß.

Die erste Begegnung mit den Fossilien beeindruckte die Paläontologen wenig. Sie gruben den Block aus und schickten ihn zur Aufbewahrung zurück ins Labor. Erst neun Jahre später bemerkte ein Spezialist, der das Fossil für die Untersuchung vorbereitete, etwas Erstaunliches: Eingebettet in den Block waren winzige Zähne und Kieferknochen von nur einem Zentimeter Länge. „Sofort stoppten sie die Präparation und überlegten, wie sie die Babys zerstörungsfrei untersuchen könnten“, sagt Eva Hoffman, damals mit Rowe in Texas und heute Paläontologin am American Museum of Natural History in New York City. Anstatt das Gestein aufzubrechen, extrahierten Hoffman und Rowe die Knochen digital mit einem Mikrocomputertomographen (microCT), der Röntgenstrahlen verwendet, um feinkörnige 3D-Bilder zu erstellen.

Was sie im Inneren des Gesteins fanden, waren die ersten bekannten Babys von Säugetieren oder deren Verwandten aus dem Jura – und nicht nur eines, sondern 38 von ihnen, was dies zu einer der bedeutendsten Entdeckungen im Zusammenhang mit den Ursprüngen der Säugetiere macht, die im letzten Jahrzehnt gemacht wurden1. Kayentatherium steht an der Schwelle zum Säugetier – und die Forscher sagen, dass es entscheidende Erkenntnisse darüber liefert, welche Merkmale Säugetiere definieren und welche bei ihren früheren Verwandten vorhanden waren.

Das Skelett von Kayentatherium ist in vielerlei Hinsicht säugetierähnlich, aber das Fossil deutet darauf hin, dass es sich immer noch sehr ähnlich wie ein Reptil fortpflanzte, indem es große Würfe von kleinwüchsigem Nachwuchs zur Welt brachte. Im Gegensatz dazu „investieren Säugetiermütter viel in eine kleinere Anzahl von Babys, von denen jedes eine bessere Überlebenschance hat“, sagt Hoffman. Säugetierbabys verbringen länger unter der Obhut ihrer Eltern und entwickeln relativ große Gehirne, wohingegen diese fossilen Schlüpflinge gut entwickelte Knochen und Zähne hatten, was darauf hindeutet, dass sie für sich selbst sorgen konnten und nicht durch Milch ernährt wurden, wie es heute bei allen Säugetieren der Fall ist.

Der Fund gehört zu einer Reihe von Entdeckungen in den letzten 10-20 Jahren, die Meilensteine in der Evolution der Säugetiere aufzeigen. Obwohl wichtige Funde auf der ganzen Welt auftauchen, kommen die meisten aus China; zusammen haben sie die inzwischen überholte Annahme umgestoßen, dass die Säugetiere der Dinosaurierzeit kleine, unscheinbare Insektenfresser waren, die ein Leben im Schatten der riesigen Reptilien fristeten.

Die Fossilien haben gezeigt, dass frühe Säugetiere ökologisch vielfältig waren und mit dem Gleiten, Schwimmen, Wühlen und Klettern experimentierten. Die Entdeckungen beginnen auch, die evolutionären Ursprünge vieler Schlüsselmerkmale von Säugetieren zu enthüllen – wie Laktation, große Gehirne und überragend scharfe Sinne.

„Die Explosion der Entdeckungen von frühen Säugetieren, besonders aus China, in den letzten zwei Jahrzehnten war augenöffnend, umwerfend und absolut umwerfend“, sagt David Krause, ein Wirbeltierpaläontologe am Denver Museum of Nature and Science in Colorado.

Diese Lawine von Entdeckungen sorgt auch für Debatten: Einige Forscher sind sich nicht einig, welche fossilen Gruppen echte Säugetiere sind und wie der Stammbaum der Säugetiere aussieht. „Wir wollen unsere frühe Geschichte in der Sprache der Evolutionsbiologie verstehen, und das ist es, was mich antreibt“, sagt Zhe-Xi Luo, ein Paläontologe an der Universität von Chicago in Illinois. „

Aus dem Schatten treten

Im Jahr 1824 präsentierte der Naturforscher William Buckland in der Geological Society of London Knochen von einem der ersten bekannten Dinosaurier, dem Megalosaurus. Im selben Vortrag enthüllte er winzige Säugetierkiefer, die in der gleichen Fossillagerstätte gefunden worden waren. Ihr Vorhandensein deutete darauf hin, dass Säugetiere eine sehr lange Geschichte hatten, aber wie es immer wieder vorkommt, überschatteten die Dinosaurierfunde die Säugetierfunde völlig.

Das langsame Rinnsal von Säugetierfunden aus der ganzen Welt hielt 150 Jahre lang an. Dann, im Jahr 1997, beschrieben Forscher das erste antike Säugetier aus den fossilreichen Felsen von Liaoning im Nordosten Chinas2, und die Schleusen öffneten sich. Seitdem wurden dort 50 oder mehr nahezu vollständige und „wunderschöne Exemplare“ gefunden, so Jin Meng, Paläontologe am American Museum of Natural History. Wie die Dinosaurierfossilien werden sie von lokalen Bauern ausgegraben und an Museen weiterverkauft.

Aber die Dinosaurier erhielten weiterhin die meiste Aufmerksamkeit, sagt der Paläontologe Steve Brusatte von der Universität Edinburgh, Großbritannien. „

Die meisten Säugetierfossilien Chinas entstanden, als Vulkane die Tiere unter Asche begruben – und sie sind exquisit detailliert. Typische Säugetierfossilien aus dem Mesozoikum (vor 252 Millionen bis 66 Millionen Jahren) sind kaum mehr als Zähne und Kieferfragmente, aber chinesische Exemplare haben oft ganze Skelette, mit Fell, Haut und inneren Organen. „Wir haben eine Menge Details, um wissenschaftliche Fragen zu beantworten“, sagt Meng. Ihn interessiert zum Beispiel die Evolution des Säugetierohrs.

Die Funde warfen bisherige Dogmen um. „Früher haben wir gesagt, dass Säugetiere zur Zeit der Dinosaurier völlig unspektakulär waren. Dass sie nur diese kleinen Mäusedinger waren, die im Schatten herumhuschten“, sagt Brusatte. Aber diese Tiere „erlebten ihre eigene evolutionäre Explosion“, sagt er.

Säugetiere tauchten erstmals vor mindestens 178 Millionen Jahren auf und huschten inmitten der Dinosaurier umher, bis die meisten dieser Biester, mit Ausnahme der Vögel, vor 66 Millionen Jahren ausgerottet wurden. Aber die Säugetiere mussten nicht auf dieses Aussterben warten, um sich in viele Formen und Arten zu diversifizieren. „Diese neuen Entdeckungen dokumentieren eine riesige, bisher ungeahnte ökologische Vielfalt“, sagt Richard Cifelli, Paläontologe an der University of Oklahoma in Norman.

Zu den ersten Innovationen, die Forscher in fossiler Form zu finden begannen, gehörten solche, die mit der Fortbewegung zu tun hatten. 2006 berichtete Mengs Team über das erste gleitende Säugetier3, das 164 Millionen Jahre alte Volaticotherium, das Flügelmembranen aus pelziger Haut besaß, ähnlich wie die heutigen Flughörnchen. Im Jahr 2017 fügte Luos Team Vilevolodon und Maiopatagaium4,5 hinzu, die etwa zur gleichen Zeit lebten und zu einer Gruppe namens Haramiyiden gehörten. Diese Tiere stürzten sich neben einigen der ersten Flugsaurier zwischen die Bäume und nutzten die bis dahin unerschlossenen Nahrungsressourcen.

Die Forscher fanden weitere Spezialisierungen, von denen sie annahmen, dass sie sich erst später entwickelt hatten: Agilodocodon konnte auf Bäume klettern und nagte in die Rinde, um sich an Säften zu laben6; der schnabeltiergroße Flussbewohner Castorocauda hatte Schwimmhäute und einen biberähnlichen Schwanz zum Schwimmen7; und Docofossor hatte Pfoten und Krallen zum Graben und sah aus wie ein moderner Maulwurf8.

Diese Säugetiere hatten sich auch an eine Vielzahl von Ernährungsweisen angepasst, viel vielfältiger als bisher angenommen. 2014 beschrieb Krause das murmeltierartige Vintana aus Madagaskar9, einen Pflanzenfresser, der sich vielleicht von Wurzeln und Samen ernährte. Und der vielfraßgroße Fleischfresser Repenomamus, von dem Mengs Team 2005 berichtete, hatte Baby-Dinosaurierknochen im Magen10. Viele dieser neu entdeckten fossilen Säugetiere gehören zu längst ausgestorbenen Untergruppen, sagt Meng. Im Gegensatz zu der Vielfalt, die im Mesozoikum existierte, gibt es heute nur noch drei Arten von Säugetieren: die Plazentatiere, die die Mehrheit der Arten ausmachen und zu denen auch der Mensch gehört; die Beuteltiere, wie Kängurus und Koalas, bei denen die Trächtigkeit im Mutterleib nur kurz ist und die Entwicklung in einem Beutel fortgesetzt wird; und die eierlegenden Monotremen, die nur durch das Schnabeltier und einige Schnabeligel vertreten sind. „Aber in der erdgeschichtlichen Entwicklung gab es noch viele andere Gruppen wie die Multituberculaten, Triconodonten und Haramiyiden“, sagt Meng. „Säugetiere waren im Jura tatsächlich sehr vielfältig.“

Einige, wie die spitzmausähnliche Juramaia – 2011 von Luos Team beschrieben und auf vor 160 Millionen Jahren datiert – gehören zu den frühesten plazentalen Säugetieren und haben daher das Potenzial, unsere Vorfahren zu sein11.

Und einige Säugetiere aus der Dinosaurierzeit waren auch viel größer als vermutet. Repenomamus wog 12-14 Kilogramm, und der Waschbär-große Vintana brachte 9 kg auf die Waage. „Es ist aufregend, dass wir die alten Mythen, dass frühe Säugetiere von einem sehr bescheidenen, generalisierten Vorfahren abstammten, irgendwie zerschlagen haben“, sagt Luo.

Die Funde stammen nicht nur aus China. Wichtige Fossilien kommen auch aus den Vereinigten Staaten, Spanien, Brasilien, Argentinien, Madagaskar und der Mongolei. Einige der faszinierendsten und ältesten Fossilien – aber auch die größten Wissenslücken – stammen von den südlichen Kontinenten, wo nur fünf Gattungen mesozoischer Säugetiere und ihrer Verwandten bekannt sind, im Vergleich zu mehr als 70 Gattungen aus nördlichen Breitengraden. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden in Brasilien mehrere Fossilien aus der Trias gefunden, die mehr als 200 Millionen Jahre alt sind. Guillermo Rougier, Paläontologe an der Universität von Louisville in Kentucky, beschreibt sie als „unglaubliche Entdeckungen“, die genau an der Schwelle zwischen Säugetieren und ihren kynodontischen Vorfahren liegen. „Diese Formen zeigen wirklich einen Übergang von Dingen, die typischerweise nicht säugetierähnlich sind, zu Dingen, die so ziemlich alle Merkmale früher Säugetiere aufweisen.“

Säugetier-Must-haves

Die neuesten Funde bieten auch Hinweise auf die Evolution von Schlüsselmerkmalen der Säugetiere. So ist das scharfe Gehör der Säugetiere zum Teil auf winzige Knochen im Mittelohr zurückzuführen – den Malleus, Incus und Ektotympanon. Bei den reptilienartigen Vorfahren der Säugetiere waren diese Knochen jedoch Teil des Kiefers und wurden zum Kauen statt zum Hören verwendet. Vorläufer der Säugetiere, wie der spitzmausähnliche Morganucodon von vor 205 Millionen Jahren, besaßen einen Prototyp der Säugetier-Anordnung, der beide Funktionen ermöglichte12.

Im Jahr 2011 berichtete Meng über einen Vermittler13: ein 120 Millionen Jahre altes Exemplar aus China, das zu einer Gruppe von Säugetieren gehört, die Eutriconodonten genannt werden und den Namen Liaoconodon hui tragen (siehe „Säugetiermerkmale“). Das rattengroße Fossil wies drei Mittelohrknochen auf, die aber noch durch Knorpel mit dem Kiefer verbunden waren. „Die Hörfunktion und die Kaufunktion waren noch nicht vollständig voneinander getrennt“, erklärt er. Dies sei ein harter Beweis für den evolutionären Übergang vom Kiefer zum Ohr.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal der Säugetiere ist die ausgeklügelte Art und Weise, wie sie ihre Nahrung kauen und in kleinen Paketen aufnehmen, anstatt Dinge im Ganzen zu schlucken, wie es Schlangen und Alligatoren tun. Um dies zu ermöglichen, entwickelten Säugetiere eine Vielzahl komplexer Zähne zum Beißen und Zerkleinern der Nahrung.

Als Babys werden Säugetiere jedoch auf andere Weise ernährt – durch das Saugen an den Milchdrüsen ihrer Mutter. „Unsere ganze Gruppe ist nach dieser unglaublichen biologischen Innovation benannt“, sagt Luo. Das Trinken von Milch wird durch die Fähigkeit zu saugen und zu schlucken ermöglicht, unterstützt durch die Zungenbeine im Rachen und die Muskeln, die sie unterstützen. Dieser Apparat bildet auch den Kehlkopf.

Im Juli veröffentlichte Luo eine Arbeit, in der er einen 165 Millionen Jahre alten, wühlmausgroßen Dokodonten – einen nahen Verwandten echter Säugetiere – vorstellte, bei dem die Zungenbeinknochen seines Rachens erhalten geblieben waren14. Microdocodon gracilis ist das früheste bekannte Tier, das in der Lage war, wie ein modernes Säugetier zu saugen.

Dieser Detailgrad ist selten, und – ähnlich wie bei der Untersuchung der Kayentatherium-Schlüpflinge – wurde die Arbeit an den Ohr- und Kehlkopfknochen nur durch Fortschritte in der Mikro-CT-Scantechnik möglich, sagt Krause. Die Technik hat auch Details über den Geruchssinn und die Gehirne der frühen Säugetiere enthüllt. Diese Enthüllungen „hauchen diesen frühen Säugetieren auf eine Art und Weise Leben ein, die zuvor unmöglich und fast unvorstellbar war“, sagt er.

Vieles von der Konstellation der Merkmale, von denen wir denken, dass sie Säugetiere definieren – komplexe Zähne, exzellente Sinne, Laktation, kleine Wurfgröße – könnte sich tatsächlich vor echten Säugetieren entwickelt haben, und das ziemlich schnell. „Mehr und mehr sieht es so aus, als wäre das alles in einem sehr kurzen Ausbruch evolutionärer Experimente entstanden“, sagt Luo. Zu der Zeit, als säugetierähnliche Kreaturen im Mesozoikum umherstreiften, hat die Linie bereits ihr modernes Aussehen und ihre modernen biologischen Anpassungen erworben“, sagt er.

Familiendrama

Obwohl sich die Experten in vielen Punkten einig sind, gibt es immer noch viele Debatten darüber, wie frühe Säugetiergruppen miteinander verwandt sind und welche Gruppen echte Säugetiere sind. Das führt zu Unklarheiten darüber, wie sich Schlüsselmerkmale entwickelt haben, sagt Hoffman.

Ein Knackpunkt zwischen Meng und Luo, die beide ihre eigenen Stammbäume entwickelt haben, sind die Haramiyiden. Meng glaubt, dass diese frühe Gruppe zu den echten Säugetieren gehört, während Luo davon überzeugt ist, dass es sich um einen Seitenzweig handelt. Die ältesten bekannten Haramiyiden stammen aus der Zeit vor 208 Millionen Jahren in der Trias. Wenn es sich um echte Säugetiere handelt, dann liegen die Ursprünge der Säugetiere mindestens so weit zurück – wenn nicht, dann ist das älteste bekannte Säugetier 178 Millionen Jahre alt, also weit in den Jura hinein.

Mehr Fossilien werden helfen, solche Fragen zu klären, und weitere Überraschungen bringen. Krause und Meng sagen, dass sie beide aufregende Fossilien studieren, aber noch nicht publiziert haben, und in den Büros ihrer chinesischen Kollegen stapeln sich Dutzende von unerforschten Exemplaren.

Paläontologen haben viele Punkte auf ihren Wunschlisten. Ein Merkmal, das Luo verstehen will, sind die Wachstumsraten. Reptilien wachsen ihr Leben lang langsam, während Säugetiere in der Jugend in Schüben wachsen und dann ein Plateau erreichen. Er würde gerne eine Reihe von Fossilien vom Baby bis zum Erwachsenen finden, um das zu beobachten. „Das ist eines der wichtigsten Merkmale bei Säugetieren, die helfen, unsere Biologie zu definieren“, sagt er.

Beide, Hoffman und Meng, stimmen darin überein, dass Embryos und mehr Babys bedeutende Funde wären – und, wie der Kayentatherium-Fund mit seinen Dutzenden von Schlüpflingen, würden sie uns helfen, das Datum zu bestimmen, an dem säugetierähnliche kleine Wurfgrößen auftraten. Mengs Traum ist es, ein schwangeres Säugetier zu finden. „Das ist immer in meinem Kopf, dass ich ein Säugetier finden werde, bei dem man im Inneren des Skeletts ein sehr zartes Skelett sehen kann, das entweder ein Ei ist, das noch nicht geschlüpft ist, oder es ist ein interessanterer Fötus“, sagt er.

Wenn die Flut von Entdeckungen die Forscher etwas gelehrt hat, dann, dass jeder fossile Fund das Potenzial hat, ein Kapitel der Evolutionsgeschichte hinzuzufügen oder sogar die vorherrschende Erzählung auf den Kopf zu stellen. „Wir befinden uns wirklich in dieser aufregenden, fast manischen Phase, in der viele neue Beweise eintreffen, und es wird Zeit brauchen, sie zu synthetisieren“, sagt Brusatte.