Terrestrische Paläoklimatologie

Hammerschmiede - Das Ost-Allgäu vor 11.5 Millionen Jahren

Hammerschmiede, die erste Menschenaffen-Fundstelle aus dem Nordalpinen Vorlandbecken, ist eine der bedeutendsten paläontologischen Entdeckungen in Deutschland. Die neue Menschenaffenart Danuvius guggenmosi kann als missing link der menschlichen Evolution gesehen werden (Böhme et al. 2019). Sie stellt ein Modell des letzten gemeinsamen Vorfahrens von Mensch und Menschenaffen dar und kombiniert die Fähigkeit zum aufrechten Gang mit Anpassungen zum langsamen Klettern in Bäumen. Neben diesen spektakulären Hominiden-Funden ist die Qualität, Quantität und Diversität der Wirbeltierfauna der Hammerschmiede einzigartig und im weltweiten Vergleich herausragend. Viele Arten sind durch kraniale und postkraniale Reste überliefert, einige durch Teilskelette. Diese ermöglichen außergewöhnliche Einblicke in die Anatomie, Phylogenie und Paläobiologie vieler Tierarten. Dabei eröffnen die >15.000 bislang geborgenen Fossilien von derzeit 115 Arten ein immenses Forschungsfeld auch für künftige Generationen von Paläontologen. Allerdings ist die international einmalige Lokalität durch intensivierten Tonabbau stark gefährdet und bedarf, um den Verlust dieses (inter-)nationalen Kulturgutes zu verhindern, dringend Schutz.
Die seit 2011 laufenden wissenschaftlichen Grabungen der Universität Tübingen, in Zusammenarbeit mit Senckenberg, kombinieren erstmals paläontologische Feldforschung mit universitärer Ausbildung, Weiterbildung von Doktoranden und Nachwuchswissenschaftlern, sowie mit Aspekten des Citizen Science (Bürgergrabung Hammerschmiede).

Geologischer Rahmen

Das Nordalpine Vorlandbecken (North Alpine Foreland Basin, NAFB; Abb. 1) entstand in Zuge der alpidischen Gebirgsbildung vor etwa 32 Millionen Jahren. Es führt Gesteine aus dem Oligozän, Miozän und Pleistozän, welche als Erosionsprodukt der sich heraushebenden Alpen über Flüsse transportiert und im Becken sedimentiert wurden. In Abhängigkeit von Beckensenkung und globalem Meeresspiegel herrschten im NAFB marine oder kontinentale Ablagerungsbedingungen. Die stellenweise 1.000 bis >6.000 Meter mächtigen Schichten können deshalb in vier lithostratigraphische Gruppen untergliedert werden: Untere Meeresmolasse (Oligozän), Untere Süßwassermolasse (Oligo-Miozän), Obere Meeresmolasse (Unter Miozän) und Obere Süßwassermolasse (OSM, i.w. Mittel Miozän). Sedimente der OSM wurden durch Beckeninversion und während der pleistozänen Vereisungen weiträumig erodiert.

Im westlichen Bayern ist die OSM in vier lithostratigraphische Einheiten gegliedert (Doppler 1989, Doppler et al. 2005); vom Älteren zum Jüngeren sind dies: Limnische
Untere Serie (See- und Sumpf-Fazies, Mächtigkeit 80 bis 400 Meter), Fluviatile Untere Serie (sandige Fluss-Fazies), Geröllsandserie (kiesige Fluss-Fazies, beide zusammen etwa 150 Meter) und die Obere Serie (sandig-tonige Fluss-Fazies, bis zu 300 Meter mächtig). Die jüngste Einheit der Oberen Serie stellen karbonathaltige feinkörnige Sedimente (Mergel, Feinsande), auch Flinz genannt, dar, welche stellenweise geringmächtige Flöze von Braunkohle (Lignit) führen. Zur Oberen Serie gehören die jüngsten noch erhaltenen Molasse-Sedimente Deutschlands. In der Forschungsbohrung Irsee (s.u.) konnten sie magnetostratigraphisch auf 11.1 Ma (unteres Ober Miozän) datiert werden (Kirscher et al. 2016).

 

Lithologie und Stratigraphie der Hammerschmiede

Die Tongrube Hammerschmiede befindet sich in der Gemeinde Pforzen, wenige Kilometer nordwestlich von Kaufbeuren am westlichen Hang des Tales der Wertach. Die mit 25,7 Metern Mächtigkeit aufgeschlossenen Sedimente (Tone, Mergel, Feinsande, Kohlen) und Paläo-Böden repräsentieren Ablagerungen von Fluss- und Auenlandschaften der lithostratigraphische Einheit Obere Serie. Um die Sedimente der Oberen Serie Süddeutschlands und speziell der Hammerschmiede magnetostratigraphisch zu datieren, wurde im Rahmen eines DFG-finanzierten Forschungsprojektes im Jahre 2011 eine Forschungsbohrung 4.3 km westlich der Hammerschmiede, nahe dem Kloster Irsee, abgeteuft. Die 150,5 m tiefe Bohrung erreichte sie ihre Endteufe unterhalb des Wertach-Niveaus und überlappt
daher stratigraphisch mit dem Aufschluss der Tongrube Hammerschmiede. Sie erschloss 28,4 Meter Pleistozäne Terassensedimente und 122 Meter Obere Serie aus dem Übergangsbereich vom Mittel zum Ober Miozän (12,2 bis 11,1 Ma; Kirscher et al. 2016).

Die Molasse-Sedimente der Forschungsbohrung bestehen hauptsächlich aus feinklastischen Sedimenten einer Überschwemmungs-Fazies. Es überwogen Silte, Feinsande und tonige Mergel mit grauer Färbung. Als Hinweis auf intensivere Bodenbildungsprozesse führen die Mergel häufig Anreicherungen pedogener Karbonatkonkretionen, sowie entkalkte Horizonte. 20 Bodenbildungsphasen konnten beobachtet werden. Einige Schichten sind reich an organischem Kohlenstoff (schwarze Lagen), welche in drei Profilbereichen geringmächtige (0,15-0,3 Meter) Braunkohle-Flözchen bilden. Feinsandige Partien sind ungeschichtet und ebenfalls geringmächtig (< 2 Meter), gut sortiert und meist karbonatisch zementiert.

Die 26 Meter Sedimente in der Hammerschmiede wurden dabei in den Zeitbereich zwischen 11.667 Mio.J. und 11.42 Mio.J. datiert. Sie decken damit den Übergang vom Mittel-Miozän zum Ober-Miozän ab (Basis Ober-Miozän 11.625 Ma). Die knochenführende Rinne HAM 5 besitzt ein Alter von 11.620±0.002 Mio.J., während die Rinnenfüllung von HAM 4 aufgrund eines Erosionshiatuses nur auf den Zeitbereich 11.59-11.44 Mio.J. eingegrenzt werden kann. Die außerordentlich diverse Wirbeltierfauna aus HAM 5 repräsentiert den biochronologischen tie point in kontinentalen Abfolgen für die Basis der chronostratigraphischen Stufen des Tortoniums und des Pannoniums (Kirscher et al. 2016).

Mithilfe von sieben Marker-Horizonten (Kohle-Lagen, Böden oder Flussrinnen) kann in der Tongrube die räumliche und zeitliche Entwicklung der Landschaft über eine Erstreckung von 150 m (Ausdehnung der Grube) untersucht werden. Die Sedimente der Fließgewässer stammen von Süd nach Nord strömenden mäandrierende Fluss- bzw. Bachläufen mit weiten Überschwemmungsbereichen. Die Ausbildung kalkreicher Böden mit pedogenen Karbonaten lässt auf ein warmes, aber vorherrschend saisonal trockenes Klima schließen. In feuchteren Perioden entwickelten sich Sümpfe in der Auenlandschaft und es lagerte sich geringmächtige Kohle ab. Die Sedimente der Überflutungsebenen beinhalten eine gut erhaltene Fauna von Landschnecken, wohingegen Wasserschnecken und drei verschiedene
Muschelarten in den Flusssanden vorkommen (Schneider & Prieto 2011). Wirbeltier-Fossilien finden sich hauptsächlich in den beiden Flussrinnen (Horizonte HAM 4 und HAM 5).

HAM 5 stellt einen mäandrierenden Bachlauf mit einer Rinnen-Breite von 4-5 m dar. Die gesamte HAM 5 Rinne ist fossilführend. HAM 4 ist ein mächtiger Flusslauf dessen Breiteauf etwa 50 Meter geschätzt werden kann. Fossilien werden hier an der Rinnen-Basis gefunden. Extraformationelle (z.B. alpine) Gerölle fehlen in beiden Fließgewässern. Die Feinsande der HAM 4 Rinne führen umgelagertes marines Plankton aus der Oberen Meeresmolasse. Beide Flüsse hatten daher kein alpines Einzugsgebiet, sondern entsprangen vermutlich in der Faltenmolasse wenige Kilometer südlich der Hammerschmiede (vergleichbar der heutigen Günz).

Paläoklima und Umweltrekonstruktion

Daten zur Paläo-Humidität des Hammerschmiede Aufschlusses wurden auf der Grundlage pedologischer und paläontologischer Transferfunktionen erhoben (Kirscher et al. 2016). Für den unteren Paläoboden (Profilmeter 5.8-8.0, 11.64 Ma) ergeben sich aus der Tiefe des Karbonathorizontes (Btk) unterhalb des A-Horizontes ein jährlicher Niederschlag von 858 ±147 mm, welches gut mit auf Herpetofaunen beruhenden Ergebnissen für HAM 1 (möglicherweise ein Korrelat zu HAM 5, 11.62 Ma) von 974 ±256 mm übereinstimmt. Diese vergleichsweise hohen Niederschläge liegen jedoch bis zu 32% unter den heutigen Werten für die Wetterstation Kaufbeuren (1241 mm, Deutscher Wetterdienst). In Kombination mit deutlich wärmeren Temperaturen bedeuten diese Ergebnisse einen signifikanten Wasserstress für die HAM-Ökosysteme (Potentielle Evaporation >> Niederschlag). Dies steht im Einklang mit den pedogenen Karbonat-Horizonten, sowie Hinweisen auf Vegetationsbrände (>3 cm große Holzkohle-Stücke in HAM 4 und häufige Mikro-Holzkohle in palynologischen Proben). Auch bisher unveröffentlichte Ergebnisse zu stabilen Isotopen von Kohlenstoff aus pedogenen Karbonaten bestätigen dies. Die δ13C Werte sind deutlich angereichert und verweisen auf eine C3-Vegetation unter sehr starkem Wasserstress.

Paläontologie

Die Paläontologischen Grabungen in der Hammerschmiede (2011-2019) auf einer Fläche von >1.100 m2 und das Ausschlämmen von 25 Tonnen Sediment erbrachten derzeit >15.000 katalogisierte Fossilfunde. Darin konnten bislang 115 Wirbeltierarten, welche sich auf 69 Familien verteilen, nachgewiesen werden, wodurch die Hammerschmiede in der Anzahl der Wirbeltierarten als reichhaltigste Lokalität des späten Miozäns weltweit gelten kann. Die Taxa stellen sowohl Bewohner des Flusses dar (z.B. Wels, Hecht, Karpfen, Riesensalamander, Olm, Schnappschildkröte, Weichschildkröte, Flussschildkröte, Biber, otterartige Raubtiere), als auch der Tümpelgebiete der Aue (Molch, Scheibenzüngler, Kröte, Wasserfrosch, Laubfrosch, Krötenfrosch, Doppelschleiche, Eidechse, Skink, Schleiche, Natter, Sumpfschildkröte). Unter den Säugetierarten fanden sich besonders zahlreich Insektenfresser (15 Arten), Nagetiere (20 Arten), Hasen, Rüsseltiere (Gomphotherien und Hauer-Elefanten), Nashörner, Waldpferde, Krallentiere, Schweine, Hirsche, Hirschferkel, Moschustiere, Waldantilopen, Hundebären, Marder, Säbelzahnkatze und Panda! Darüber hinaus konnten auch Primaten nachgewiesen werden, welche zwei Arten angehören: ein geschwänzter Affe und ein Menschenaffe.

Die Mehrzahl der Funde sind isolierte Knochen und Zähne. Komplette Kiefer kommen jedoch ebenso vor, wie artikulierte oder teilartikulierte Skelette größerer Säugetiere. Teilskelette konnten bisher von folgenden Tieren geborgen werden: Nashorn, Schwein, Hirschferkel, Antilope, Menschenaffe. Einzelne Knochen, insbesondere von Rüsseltieren, zeigen Abroll-Erscheinungen und belegen einen weiteren Transport im Fluss. Großteils stammen die Reste jedoch aus nächster Umgebung und dokumentieren eine autochthone Fauna einer Flusslandschaft zu Beginn des späten Miozäns.

 

Primaten


Beide Primatenarten aus der Hammerschmiede sind neu für die Wissenschaft. Mit nur sehr wenigen Zahnresten ist ein Pliopithecide nachgewiesen. Bei diesem Altweltaffen handelt es sich um einen Gibbon-großen, geschwänzten Baumbewohner. Die Pliopithecidae waren im Mittel-Miozän Europas nicht selten. Sensationell ist jedoch der Nachweis von Menschenaffen (Hominidae) in der Hammerschmiede. Hominidae fehlten bislang in der Oberen Süßwassermolasse und zählen generell zu den seltensten Großsäugern Europas. Die neue Gattung und Art aus der Hammerschmiede, Danuvius guggenmosi, konnte mit bislang 38 Funden belegt werden, welche sich auf fünf Individuen verteilen (ein Männchen, zwei Weibchen, zwei Jungtiere). Von besonderer Bedeutung ist dabei das Teilskelett des Männchens (‘Udo’), welches
zu 15% (21 Objekte) überliefert ist, darunter auch komplette Wirbel und Langknochen. Es stellt einen entscheidenden Schlüssel zum Verständnis sowohl der frühen Evolution des Menschen als auch der Menschenaffen dar. Viele Hypothesen zur Evolution des aufrechten Gangs der Menschen (Hominini) und der schwinghangelnd baumkletternden Fortbewegungsweise der Menschenaffen wurden bereits formuliert, doch bislang fehlten fossile Belege um diese Theorien zu überprüfen. So wurde vermutet, dass die hominine Zweibeinigkeit von palmigraden (Sohlengang) Vierfüßern, im Habitus ähnlich heutiger Meerkatzen, herzuleiten ist. Andere schlugen einen schwinghangelnden Vierfüßer mit Knöchelgang, ähnlich heutiger Schimpansen, als letzten gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Menschenaffen vor. Die Funde von Danuvius belegen jedoch, dass eine bislang nicht dokumentierte Fortbewegungsweise, ‘extended limb clambering‘ (zu deutsch etwa ‘kraxeln mit gestreckten Gliedmaßen’), den Ausgangspunkt sowohl für den aufrechten Gang der Menschen, als auch des vierfüßigen Baumkletterns der Menschenaffen darstellt. Danuvius gug-
genmosi
ist demnach hinsichtlich seines Körperbaus das missing link zwischen Mensch und Menschenaffe. Der 17 bis 31 kg schwere Danuvius besaß einen breiten Brustkorb, eine funktional verlängerte Lendenwirbelsäule und gestreckte Hüft- und Kniegelenke, wie Zweibeiner, sowie verlängerte und im Ellbogengelenk komplett durchstreckbare Arme mit sehr beweglichen Handgelenken, wie alle Menschenaffen. Er kombiniert daher Anpassungen der Bipedie und des Schwinghangelns und repräsentiert ein Modell des letzten gemeinsamen Vorfahrens von Mensch und Menschenaffe.

 

 

 

Bürgergrabung Hammerschmiede - ein Citizen Science Projekt der Universität Tübingen und Senckenbergs

Seit dem Jahr 2017 betreiben wir unsere wissenschaftlichen Grabungen in der Hammerschmiede als Studenten- und Bürgergrabung. Für Studenten der Geowissenschaften der Universität Tübingen (2019 auch der LMU München) veranstalten wir ein einwöchiges Grabungspraktikum, welches fest im Curriculum
des Master-Studiengangs verankert ist. Unsere sich daran anschließende siebenwöchige Bürgergrabung geht von folgender Prämisse aus: in sehr vielen Menschen unterschiedlichen Alters stecken ‚kleine Entdecker‘. Um diese Neigungen zu wecken und zu fördern, können Bürger jeden Alters kostenlos (Kost und Logie
wird von Senckenberg und der Universität Tübingen getragen) in der Hammerschmiede unter wissenschaftlicher Anleitung kostbare Fossilien ausgraben. Allein durch Mund-zu-Mund Propaganda existiert derzeit ein Stamm von ca. 50 Volontären; Jugendlichen, Familien, Senioren im Alter von bisher 8 bis 80 Jahren. Diese Aktivitäten wollen wir in den kommenden Jahren weiter ausbauen und wir laden jeden Interessenten dazu ein. Bitte erzählen Sie es weiter!

Publikationen

Mayr, G., Lechner, T., Böhme, M. (2020): The large-sized darter Anhinga pannonica (Aves, Anhingidae) from the late Miocene hominid Hammerschmiede locality in Southern Germany. PLos ONE 15(5): e0232179 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0232179

Böhme, M., Spassov, N., Fuss, J., Tröscher, A., Deane, A.S., Prieto, J., Kirscher, U., Lechner T., Begun, D.R. (2019): A new Miocene ape and locomotion in the ancestor of great apes and humans. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1731-0

Kirscher, U., Prieto, J., Bachtadse, V., Abdul Aziz, H., Doppler, G., Hagmaier, M., Böhme, M. (2016): A biochronologic tie-point for the base of the Tortonian stage in European terrestrial settings: Magnetostratigraphy of the topmost Upper Freshwater Molasse sediments of the North Alpine Foreland Basin in Bavaria (Germany). Newsletter on Stratigraphy 49(3): 445-467