Die Datierung von Fossilien und Artefakten
Laserfusions-Argon
-Argon-Datierung schmilzt man mit Laserstrahlen einzelne Gesteinskristalle, die ein radioaktives Isotop enthalten; dieses zerfällt mit bekannter Geschwindigkeit, so dass man das Alter des Gesteins feststellen kann.
Nur wenn man das Alter paläontologischer und archäologischer Funde abschätzen kann, läßt sich für die menschliche Evolution ein Zeitplan rekonstruieren. Glücklicherweise gibt es zu diesem Zweck mehrere Methoden, von denen Geologen oder Geochronologen in der Regel an jeder Fundstelle mindestens eine anwenden können.
Man kennt zwei Gruppen solcher Verfahren: die relative und die absolute Datierung. Die relativen Methoden besagen, dass ein bestimmtes Fossil oder Artefakt jünger oder älter ist als ein anderes, geben aber nicht das Alter in Jahren an. Ein Beispiel ist das geologische Prinzip der Überlagerung aus dem 19. Jahrhundert: Danach sind Gesteine oder Sedimente in einer senkrechten Schichtenfolge um so jünger, je weiter oben sie liegen -vorausgesetzt, die Anordnung wurde nicht gestört. Eine beliebte Methode zum Altersvergleich weit voneinander entfernter Fossilfundstellen ist die Biostratigraphie: Sie bedient sich der fossilen Reste verbreiteter Tierarten, die sich im Laufe der Evolution deutlich verändert haben. In Afrika und dem Nahen Osten haben sich in dieser Hinsicht vor allem Nagetiere, Elefanten, Antilopen und Schweine als nützlich erwiesen.
Mit der Biostratigraphie konnte man eine Zeittafel für die fossilreichen südafrikanischen Kalksteinhöhlen von Swartkrans und Sterkfontein aufstellen, wo es kein geeignetes vulkanisches oder radioaktives Gestein für die absolute Datierung gibt. Außerdem ist die Biostratigraphie ein gutes Gegengewicht zu der eher technisch orientierten absoluten Datierung. So erkannte man zum Beispiel durch die Untersuchung von Schweinezähnen einen Fehler in der Kalium-Argon-Datierung des KBS-Tuffsteins in Koobi Fora in Kenia, so dass man das Alter von Fossilien wie KNM-ER 1470 um über eine halbe Million Jahre korrigieren mußte.
Das nützlichere und genauere Hilfsmittel zur Kennzeichnung von Evolutionsvorgängen ist die absolute Datierung. Meist handelt es sich um radiometrische Methoden: Ihnen dient der gleichmäßig fortschreitende Zerfall bestimmter Isotope -das sind Varianten eines chemischen Elements- im Gestein als "Uhr", die das Alter angibt. Diese Methoden sind noch recht neu, wie auch ältere Verfahren zur absoluten Datierung in den letzten Jahren bedeutend verbessert wurden.
Das vielleicht bekannteste Verfahren zur absoluten Datierung ist die Radiokarbonmethode; sie wurde in den 19-vierziger Jahren entwickelt und erstmals bei einem Stück Akazienholz aus der ältesten ägyptischen Pyramide, der Stufenpyramide von Sakkara, angewandt. Mit ihr läßt sich das Alter von Knochen und anderem organischen Material unmittelbar bestimmen: Man mißt die Menge des Kohlenstoff-12 (der stabilen, vorherrschenden Form des Elements) und berechnet daraus, wieviel Kohlenstoff-14 (das seltene, radioaktive Isotop) der Gegenstand zu Lebzeiten enthielt. Da Kohlenstoff-14 nach dem Tod mit bekannter Geschwindigkeit zu Stickstoff zerfällt, kann man durch Messung seiner jetzigen Menge das Alter des Gegenstands ermitteln. Das Holz aus Sakkara zeigte, dass die Pyramide vor 4.600 Jahren erbaut wurde
Die Radiokarbonmethode eignet sich nur für relativ junge organische Gegenstände, denn die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 liegt nur bei 5.730 Jahren -das heißt, nach dieser Zeit ist die Hälfte des Isotops in der Probe zerfallen. Die Menge des Kohlenstoff-14 halbiert sich also alle 5.730 Jahre, so dass nach etwa 40.000 Jahren praktisch nichts mehr vorhanden ist. Ein neueres Verfahren, die massenspektrometrische Beschleuniger-Radiokarbondatierung, wird diesen Zeitraum auf etwa 75.000 Jahre erweitern. Da man sie auf viel kleinere Materialmengen anwenden kann -statt eines Grammes braucht man nur noch ein winziges Stück -, konnte man mit ihrer Hilfe zum erstenmal wichtige archäologische Funde datieren, so die steinzeitlichen Malereien in europäischen Höhlen.
Bei noch älteren Funden nutzt man Elemente mit längerer Halbwertszeit. Ein häufiges Element der Erdkruste ist Kalium. Hiervon liegt ungefähr 0,01 Prozent als radioaktives Isotop Kalium-40 vor, das eine Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren hat und zu Argon-40 zerfällt. Je mehr Argon-40 ein Gestein enthält, desto länger tickt seine Uhr bereits: älteres Gestein enthält mehr Argon-40. Wenn man den Kaliumgehalt und den bereits zu Argon-40 zerfallenen Anteil mißt, kann man das Alter des Gesteins ermitteln.
Mit der in den 19-fünfziger Jahren entwickelten Kalium-Argon-Methode datierte man die Vulkanasche- und Tuffgesteine, die in den Gesteinsschichten der Olduvai-Schlucht die Fossilien und Artefakte einschlossen. Die Ergebnisse aus der Olduvai-Schlucht und später von vielen anderen Homininen-Fundstellen in Ostafrika revolutionierten die Vorstellung über die Dauer der menschlichen Evolution. Seit den 19-achtziger Jahren erlebte auch die Methode selbst umwälzende Neuerungen: Man kann jetzt mit dem Laser einzelne Gesteinskristalle schmelzen und datieren, so dass beigemischte ältere oder jüngere Kristalle nicht mehr zu einer Verfälschung führen. Außerdem ist in einer einzigen Probe sowohl der Kalium- als auch der Argongehalt zu bestimmen; nach den herkömmlichen Verfahren waren dazu zwei Proben notwendig. Mit der neuen Methode, Einzelkristall-Laserfusions-Argon-Argon-Datierung genannt, mißt man das Verhältnis von Argon-40 zu Argon-39, einem künstlichen Isotop, das in Atomreaktoren aus stabilem Argon-39 entsteht und als Stellvertreter für die Kaliummenge dient. Die Messung läßt sich so genau steuern, dass man von der Außenseite einer Gesteinsprobe nach innen eine ganze Serie von Altersangaben erhält. In jüngster Zeit wurde das Alter der Fossilien von Lucy und der Ersten Familie aus Hadar sehr genau auf 3,2 Millionen Jahre bestimmt.
Mehrere Datierungsmethoden wurden für die Zeiträume vor 300.000 bis 40.000 Jahren entwickelt, die für die Radiokarbonmethode zu lang und für die Kalium-Argon-Methode zu kurz sind. Bei drei dieser Verfahren -der Elektronenspinresonanz (ESR), der Thermolumineszenz (TL) und der optisch angeregten Lumineszenz (OSR) -zählt man Elektronen, die durch Fehler in der Mikrostruktur der Kristalle festgehalten werden.
Im Laufe der Zeit sammeln sich solche Elektronen immer zahlreicher an, weil die von radioaktiven Elementen im Gestein und im umgebenden Sediment freigesetzte Strahlung ständig neue Löcher in das Kristallgitter reißt. Die Elektronen werden bei TL und OSL als Licht sichtbar gemacht. Durch sorgfältige Messung der Lichtmenge läßt sich die Zeit abschätzen, seit beispielsweise ein Steinwerkzeug zum letzten Mal in einem Lagerfeuer erhitzt wurde oder vor dem Vergraben der Sonne ausgesetzt war. Bei der ESR setzt man die Elektronen nicht aus dem Gestein frei, sondern man regt sie mit Mikrowellen in einem Magnetfeld an; die Elektronen reagieren mit Resonanz, das heißt, sie ändern ihre Drehrichtung (Spin). Die Resonanzenergie erzeugt ein Spektralsignal, das der Zahl eingefangener Elektronen entspricht, so dass man diese messen und daraus das Alter der Probe abschätzen kann. Mit TL und OSR kann man eine Probe nur einmal analysieren, mit der ESR sind mehrere Messungen möglich.
Knochen lassen sich weder mit TL noch mit OSL unmittelbar analysieren, aber bei Feuersteinwerkzeugen, Keramik und Sedimenten funktioniert die Messung gut. ESR läßt sich auch bei verschiedenen Naturmaterialien anwenden, so bei Zahnschmelz, Korallen und Molluskenschalen. TL und ESR haben viele neue Kenntnisse über den Ursprung des Jetztmenschen geliefert, insbesondere in Höhlen im Nahen Osten, wo Neandertaler und frühe Jetztmenschen etwa 50.000 Jahre lang nebeneinander lebten. Die OSL wurde an archäologischen Stätten in Australien angewandt und zeigte, dass Jetztmenschen den Kontinent wahrscheinlich schon vor 60.000 Jahren besiedelten.
Zu den Kenntnissen über die menschliche Evolution haben auch andere Datierungsmethoden beigetragen, so Paläomagnetismus, Spaltspurdatierung, Uranreihendatierung und Aminosäure-Razematmessung. Den Paläoanthropologen steht also zur Altersbestimmung ihrer Funde ein ganzes Methodenarsenal zur Verfügung. Aber jede Datierungsmethode hat auch ihre Grenzen und Fallstricke; auch bei der Auswahl der Funde im Freiland und ihrer Präparation im Labor muß man sehr vorsichtig vorgehen. Im Idealfall sollte man möglichst viele Methoden unabhängig anwenden und so das Alter eines Fossils, eines Artefakts oder einer Fundsteile zuverlässig ermitteln.
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Artikel: 2007, Letztes update: 04.02.2012 um 02:03
