Sonnenuntergang im Karonga-Becken
Sonnenuntergang im Karonga-Becken im Norden Malawis. In den plioleistozänen Sedimenten dieser Region wurden Fossilien von Homo und Paranthropus gefunden.

Auf den Zahn gefühlt – Wie flexibel waren unsere frühen Vorfahren?


Der Motor für die Weiterentwicklung der frühen Homininen im ostafrikanischen Graben – so die gängige Theorie – war ein klimabedingter Wandel der Landschaften. Wälder schrumpften und offene Grassavannen dehnten sich aus. Doch war die Evolution unserer frühen afrikanischen Vorfahren wirklich an die sich ausbreitenden offenen Savanne gebunden? Es gibt berechtigte Zweifel.

Die meisten Fundstellen der bislang untersuchten Hominini liegen innerhalb eines gigantischen Grabensystems, das sich im Osten Afrikas von Äthiopien über Kenia, Tansania und Malawi bis nach Mosambik erstreckt. Aber es gibt auch Funde im Tschad und in Südafrika. Bislang wurden Isotopenanalysen fossiler Bodenkarbonate und Zahnreste vielfach an Fundstellen nördlich des Äquators (Äthiopien, Kenia und Tansania) durchgeführt. Diese Gebiete gehören heute zur sogenannten Somali-Massai-Ökozone, die von ausgedehnten offenen Grassavannen geprägt ist. Die afrikanische Südhalbkugel ist hingegen deutlich weniger erforscht, hier wurden fossile Lebensräume fast nur an berühmten Höhlenfundorten in Südafrika rekonstruiert.

Eine bedeutende Fundstelle südlich des Äquators liegt im Norden Malawis, in der großen Lücke zwischen den östlichen und südlichen Fundstellen. Dort hat ein Team um Friedemann Schrenk und Ottmar Kullmer vom Senckenberg Forschungsinstitut in Frankfurt sowie Timothy G. Bromage von der New York University mit Oliver Sandrock vom Hessischen Landesmuseum in Darmstadt in den 1990er Jahren Kieferfragmente des „Nussknacker-Menschen“ Paranthropus boisei und einen Unterkiefer von Homo rudolfensis gefunden. Beide Funde stammen aus circa 2,4 Millionen Jahre alten plio-pleistozänen Ablagerungen, den sogenannten Chiwondo Beds. Die Fossilien sind bis heute der älteste Nachweis für die Koexistenz dieser beiden Homininen.

Im Gegensatz zu den Fossilien aus den meist spärlich bewaldeten Teilen Tansanias, Kenias und Äthiopiens liegen die Fundstellen in Malawi in der heutigen Miombo-Baumsavanne. Beide Savannentypen sind äußerst vielfältig,  allerdings überwiegen in der letzteren Bäume und Büsche – ganz anders als in den nördlich gelegenen und von offenen Grasflächen dominierten Savannen. Wenn aber frühe Hominiden im Norden Malawis auch schon vor Millionen von Jahren in einer deutlich humideren Baumsavanne zu Hause gewesen sein sollten, stellt sich die Frage, ob die Evolution der frühen Menschen tatsächlich an den Wechsel zwischen trockenem und feuchtem Klima und der sich ausbreitenden offenen Grassavannen geknüpft war. Dieser Überlegung wollten wir nachgehen und haben deshalb im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen der SBiK-F-Arbeitsgruppe von Andreas Mulch und der paläoanthropologischen Abteilung von Friedemann Schrenk sowie Ottmar Kullmer das Paläohabitat dieser Region rekonstruiert. Wir wollten wissen, ob sich der Lebensraum im Süden des Großen Grabens damals auch schon deutlich von dem im Norden unterschied.

Forschungsreise
Die Autorin, Dr. Tina Lüdecke, auf der Suche nach Karbonaten in einem rund 2,5 Millionen Jahre alten Paläoboden. Im Hintergrund ist der Malawisee zu sehen.

Stabile Kohlenstoff- (δ13C) und Sauerstoffisotopenanalysen (δ18O) fossiler Zähne von pflanzenfressenden Großsäugern oder von über Millionen Jahre im Boden entstandenen Karbonatkonkretionen eignen sich gut, um längst vergangene Umweltbedingungen zu rekonstruieren. Die Kohlenstoffisotopie lässt Rückschlüsse auf die Paläeovegetation zu, da unterschiedliche Pflanzentypen spezifische Typen der Fotosynthese betreiben und Isoptope in einer charakteristischen Verteilung einbauen. Die Sauerstoffisotopie gibt hingegen Aufschluss über die jeweiligen Klimabedingungen.

In den Senckenberg-Sammlungen finden sich mehr als 1000 fossile Säugetierzähne aus den Chiwondo Beds in Malawi. Während des Zahnwachstums baut ein Lebewesen seinen isotopischen „Fingerabdruck“ auf. Noch Millionen Jahre danach verrät dieser, welche Art von Pflanzen und Wasser – zum Beispiel stark evaporiertes – das Individuum zu sich genommen hat. Ergänzend liefert das Isotopeninventar der Karbonatknollen im Boden oft über Jahrhunderte hinweg Hinweise auf den Pflanzenbewuchs und die Zusammensetzung des Bodenwassers. Diese Konkretionen mussten allerdings erst einmal in den Chiwondo Beds gefunden, stratigrafisch einsortiert und dann beprobt werden – eine Aufgabe, die ich zusammen mit Heinrich Thiemeyer, Bodenkundler an der Goethe-Universität, während mehrerer Monate schweißtreibender Feldarbeit im Karonga-Becken bewältigte. 

Die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalysen der beprobten Bodenkarbonate zeigen seit dem frühen Pliozän mehr oder weniger konstante Werte. Aus den δ13C-Analysen schließen wir, dass die Landschaft im Norden Malawis innerhalb der letzten 4,3 Millionen Jahre von Bäumen und und Büschen geprägt war. Entsprechend deuten δ18O-Werte darauf hin, dass sich die klimatischen Rahmenbedingungen in unserem Untersuchungsgebiet in diesem Zeitraum relativ wenig verändert haben. Die Ökosysteme unterscheiden sich hier also deutlich von den Landstrichen weiter im Norden des großen afrikanischen Grabensystems, die seit mindestens zwei Millionen Jahren von offenen Grassavannen dominiert werden. Auch die Sauerstoffisotopensignatur des fossilen Zahnschmelzes bestätigt diesen Befund. Sie steht für einen Lebensraum mit relativ ausgeglichenem Wasserhaushalt und nur geringem Einfluss von Verdunstungseffekten. Die δ13C-Werte der Zähne von migrierenden Großsäugern lassen zudem keinesfalls auf eine gleichförmige Landschaft schließen: Im Hinterland mussten vereinzelt auch offene Grasflächen zu finden gewesen sein.

Unsere Ergebnisse dokumentieren also relativ konstante paläoökologische Bedingungen mit vorwiegend bewaldeter Savanne im südlichen Teil des ostafrikanischen Grabensystems – und das seit mindestens vier Millionen Jahren! Dies lässt darauf schließen, dass die evolutionären Veränderungen der frühen Menschen nicht zwangsläufig an die Entstehung offener Grassavannenlandschaften gekoppelt waren. Homo rudolfensis und Paranthropus boisei waren, was die Wahl ihres Lebensraums angeht, wohl doch flexibler als bisher angenommen.

Dr. Tina Lüdecke
studierte Geowissenschaften an der Leibniz-Universität Hannover. Schon 2010 beschäftigte sie sich mit der Rekonstruktion früher Umweltbedingungen anhand stabiler Isotopendaten. Ihre Doktorarbeit schrieb sie in den Senckenberg- Arbeitsgruppen von Andreas Mulch und Friedemann Schrenk. Tina Lüdecke ist in Projekte in Malawi, Tansania, Mosambik, der Türkei, Syrien, Indonesien und den USA involviert. Nach einem Jahr an der New York University arbeitet sie derzeit als Postdoc bei Senckenberg BiK-F an ihrem eigenem DFG-Projekt „Adaption früher Hominini im südlichen Teil des Ostafrikanischen Grabens“.

Google Scholar

ORCID                   

Research Gate

At Oxford University

Research interests

My main research interest lies in the reconstruction of Neogene paleolandscapes occupied by early hominins. I rely on extensive fieldwork and geochemical approaches including stable isotope data of hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen, as well as clumped isotopes and multi-element analysis in a variety of proxy materials such as (fossil) tooth enamel and pedogenic carbonates. I focus on the wooded savannas of south-eastern Africa (Tanzania, Malawi, Mozambique, South Africa), while I am involved in archaeological, anthropological and paleoecological projects in Indonesia, Syria and Turkey. My goal is to understand the processes that link early hominin (dietary) adaptations to changes in the ecosystem they evolved in.

DFG Project LU 2199/1: Early hominin (plant-based) dietary adaptation in the southern East African Rift

The overarching goal of this project is to reconstruct (Plio-)Pleistocene paleotemperature, vegetation, precipitation and evaporation patterns of hominin localities in the southern part of the East African Rift (Karonga Basin, Malawi and Manyara Basin, Tanzania). I use hydrogen, carbon, oxygen and clumped isotopes on different proxies (fossil tooth enamel of fauna (including early hominins), pedogenic carbonate and modern meteoric waters), I then link these paleoecological patterns with the diet of early hominins Homo rudolfensis and Paranthropus boisei. Results are published in Lüdecke et al., 2018 (PNAS).

Collaborators:  Jens Fiebig (Goethe University-Senckenberg BiK-F Joint Stable Isotope Facility), Friedemann Schrenk (Senckenberg)

Early hominin meat consumption

Information about an individual’s position in the food-web – and with it the incorporation of animal resources in its diet – is reflected in nitrogen isotope ratios (d15N) of organic tissues. To date, these data could only be determined in samples with sufficient amount of collagen, which has poor long-term preservation potential. While d15N has been measured in subfossil and fossil bones, such analyses have been limited to relatively young (typically <100 ka) and exceptionally well-preserved material. We now developed a new method that allows us to investigate nitrogen isotopic composition of enamel bound organic matter material as old as 150 Ma to determine trophic levels. Among others, such as modern African mammals and Mesozoic dinosaurs, I analyze nitrogen isotope data for Australopithecus from the Sterkfontein cave in southern Africa, which represents the first d15N data measured in any early hominin. This data provides a glimpse into the trophic behavior of Pleistocene hominin taxa. 

Collaborators: A. Martínez-García (MPI for Chemistry), M. Bamford (ESI and U Witwatersrand), J. Leichliter (U Mainz), D. Stratford (U Witwatersrand), H. Vonhof (MPI for Chemistry)

Paleo-Primate-Project Gorongosa

As a research affiliate at the Institute of Cognitive and Evolutionary Anthropology, University of Oxford, I am the leading geochemist of the Paleo-Primate Project Gorongosa (PPG), Mozambique. The poorly-explored Gorongosa area is uniquely positioned in a large geographical gap between the well-studied hominin-yielding sites of the East African Rift in the north and the South African cave localities in the south. The overarching goal of the PPG is the reconstruction of the ecological and evolutionary history of the Gorongosa National Park region from the deep past to the present. Furthermore, the project focuses on primate adaptations to the complex environments of Gorongosa, both past and present. In the first four years of fieldwork, we discovered and started to excavate several fossil sites, which are some of the richest and well-preserved ones in the southern part of the East African Rift.

Collaborators: R. Bobe and S. Carvalho (Oxford U), Z. Alemseged (U Chicago), M. Bamford (ESI and U Witwatersrand), D.R. Braun (George Washington U), W. Archer (MPI for Evolutionary Anthropology)

CV

Education

Goethe University, Frankfurt, Germany, Geosciences, Doctorate, 2016

Leibniz University, Hannover, Germany, Geosciences, Diploma, 2010

Professional experience

2019 – Present

Research Associate at the Institute of Climate Geochemistry, Max-Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany

2017 – Present 

Post-Doctoral Researcher (DFG-funded), Senckenberg Biodiversity and Climate Research Centre (SBiK-F), Frankfurt, Germany. Group Paleoclimate and Paleoenvironmental Dynamics

DFG-ICDP-Project personal grant (LU 2199/1-1 and /1-2): Early Hominin Adaptation in the Southern East African Rift – Plio-Pleistocene African temperature, ecosystem and early hominin diet patterns across a woodland-grassland savanna boundary

2017 – Present 

Research Associate at the School of Anthropology and Museum Ethnography, University of Oxford, England

2016 – Present

Geochemist of the Paleo-Primate-Project Gorongosa, responsible for the reconstruction of Miocene paleoenvironments of the southernmost part of the East African Rift (Gorongosa National Park, Mozambique)

2016 – 2017 

Post-Doctoral Researcher, Biomaterials and Biomimetics, College of Dentistry, New York University, New York City, NY, USA, method-development of simultaneous measurement of absolute concentrations of 71 elements in the periodic table  (Li to U) via ICP-MS

2011 – 2016 

PhD candidate, Senckenberg Biodiversity and Climate Research Centre, Frankfurt, Germany. Stable isotope-based reconstruction of Neogene terrestrial archives. Magna cum laude (very good)

Martinez, F.I., Capelli, C., Ferreira da Silva, M.J., Aldeias, V., Alemseged, Z., Archer, W., Bamford, M., Biro, D., Bobe, R., Braun, D., Habermann, J.M., Lüdecke, T., Madiquida, H., Mathe, J., Negash, E., Paulo, L.M., Pinto, M., Stalmans, M., Tatá, F., Carvalho, S. A. (2019) A missing piece of the Papio puzzle: Gorongosa baboon phenostructure and intrageneric relationships. Journal of Human Evolution, 130, 1-20.

Ernst, M., Thiemeyer, H., Lüdecke, T. Stable isotope signatures of radiocarbon dated pedogenic carbonate from Tell Chuera (NE Syria) reveal fluctuating paleoenvironmental patterns in the Pleistocene Levant. In press at Zeitschrift für Geomorphologie, MS#553.

Habermann, J.M., Alberti, M., Aldeias, V., Alemseged, Z., Archer, W., Bamford, M., Biro, D., Braun, D.R., Capelli, C., Cunha, E., Ferreira da Silva, M., Lüdecke, T., Madiquida, H., Martinez, F.I., Mathe, J., Negash, E., Paulo, L.M., Pinto, M., Stalmans, M., Tatá, F., Wynn, J.G., Bobe, R., Carvalho, S. (2019). Gorongosa by the sea: First Miocene fossil sites from the Urema Rift, central Mozambique, and their coastal paleoenvironmental and paleoecological contexts. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 514, 723-738.

Lüdecke, T., Kullmer, O., Wacker, U., Sandrock, O., Fiebig, J., Schrenk, F., Mulch, A. (2018). Dietary Versatility of Early Pleistocene Hominins. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 13330-13335. 

Bäuchle, M., Lüdecke, T., Rabieh, S., Calnek, K., Bromage, T.G. (2018). Quantification of 71 detected elements from Li to U for aqueous samples by simultaneous-inductively coupled plasma-mass spectrometry. Royal Society of Chemistry Advances, 8, 37008-37020.

Meijers, M.J.M., Brocard, G.Y., Cosca, M.A., Lüdecke, T., Teyssier, C., Whitney, D., Mulch, A. (2018). Rapid late Miocene surface uplift of the Central Anatolian Plateau margin. Earth and Planetary Science Letters 497, 29-41, doi:10.1016/j.epsl.2018.05.040

Lüdecke, T., Mulch, A., Kullmer, O., Sandrock, O., Thiemeyer, H., Fiebig, J., Schrenk, F. (2016). Stable isotope dietary reconstructions of herbivore enamel reveal heterogeneous savanna ecosystems in the Plio-Pleistocene Malawi Rift. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 459, 170–181.

Lüdecke, T., Schrenk, F., Thiemeyer, H., Kullmer, O., Bromage, T.G., Sandrock, O., Fiebig, J., Mulch, A. (2016). Persistent C3 vegetation accompanied Plio-Pleistocene hominin evolution in the Malawi Rift (Chiwondo Beds, Malawi). Journal of Human Evolution, 90, 163-175.

Fiebig, J., Hofmann, S., Löffler, N., Lüdecke, T., Methner, K., Wacker, U. (2015). Slight pressure imbalances can affect accuracy and precision of dual inlet-based clumped isotope analysis. Isotopes in Environmental and Health Studies, 16, 1-17.

Lüdecke, T., Thiemeyer, H. (2013). Palaeoenvironmental Characteristics of the Plio-Pleistocene Chiwondo and Chitimwe Beds (N-Malawi). In: Runge, J. Palaeoecology of Africa Vol. 32, 143-161. An International Yearbook of Landscape Evolution and Palaeoenvironments.

Lüdecke, T., Mikes, T., Rojay, B., Cosca, M.A., Mulch, A. (2013).  Stable isotope-based reconstruction of Oligo-Miocene paleoenvironment and paleohydrology of Central Anatolian lake basins (Turkey). Turkish Journal of Earth Sciences, 22, 793-819.