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 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 spezifische Typen der Fotosynthese betreiben und Isotope 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 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.

Forschungsreise
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“.

6-2.10 | Earth surface processes and paleoclimate dynamics
6-2.11 | Stable isotope paleoclimate reconstructions
6-2.14 | Savanna development

Research interests

I focus my research on the development of Plio-Pleistocene African savannas. As a tool I work, among other things, with the analysis of stable carbon and oxygen isotopes from fossil herbivore and early hominin tooth enamel, as well as pedogenic archives, to reconstruct the development of C4 grasslands as a result of changing atmospheric pCO2-concentration, seasonality and distribution of precipitation, and (retreat of) tree cover. The southeast African savanna is here particularly interesting since the vegetation pattern can be correlated with paleontological data of the (dietary) adaptation and migration of the early hominins. In addition, I use clumped isotopes to detect paleotemperatures, which add valuable information to paleohabitat-reconstructions. Also, I am engaged in the method-development of simultaneous measurement of absolute concentrations of 71 elements in the periodic table  (6Li to 238U) via ICP-MS at New York University.

As a research affiliate at the Institute of Cognitive and Evolutionary Anthropology, University of Oxford, I am part of the Paleo-Primate-Project (PPP) in the Gorongosa National Park in Mozambique, which combines geological features of the two most fossil-rich paleoanthropological regions of Eastern and Southern Africa. The goal of PPP is to reconstruct the ecological and evolutional history of the southern part of the East African Rift from the Miocene to present.

 

Invited Seminars

  • Department of Anthropology, Pontifical Catholic University of Chile, Chile, 2018
  • Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, U.S.A., 2017.
  • Eberhard Karls University Tübingen, Germany, 2016.  

Conference talks

2018

  • 8th Annual Meeting of the European Society for the study of Human Evolution (ESHE), Faro, Portugal

2017

  • East African Association of Palaeoanthropology and Palaeontology (EAAPP), Addis Ababa, Ethiopia
  • AnalytiX-2017, BIT’s 5th Annual Congress of AnalytiX-2017, Fukuoka, Japan

2016

  • 100+25 years of Homo erectus: Dmanisi and beyond, International Senckenberg Conference, Tbilisi, Georgia. 
  • International Geological Congress (IGC), Cape Town, South Africa. Abstract# 2047

2015

  • The Role of Culture in Early Expansions of Humans (ROCEEH) – Expansions 2015, Frankfurt, Germany
  • Geological Society of America (GSA), Annual Meeting 2015, Baltimore, USA, Abstract# 102-8

2014

  • Geological Society of America (GSA), Annual Meeting, Vancouver, Canada, Abstract# 292-0. 
  • European  Geophysical Union (EGU), General Assembly, Vienna, Austria, Abstract# EGU2014-12168

2013

  • American Geophysical Union (AGU), Fall Meeting, San Francisco, USA, Abstract #PP24A-02
  • European  Geophysical Union (EGU), General Assembly, Vienna, Austria, Abstract# EGU2013-4616

2011

  • AGU-GV „FRAGILE EARTH“, Munich, Germany, Abstract# 41-6 

Short CV

Education

  • Goethe University Frankfurt, Germany, PhD, May 2016.  PhD Thesis: “Stable Isotope-Based Paleoenvironmental Reconstructions of Neogene Terrestrial Archives
  • Leibniz University Hannover, Germany, Geosciences, Diplom, December 2010. Diploma Thesis: “Late Cenozoic Paleoenvironmental Signatures of the Central Anatolian Plateau – Stable Isotope Geochemistry and Sedimentology of Lacustrine Sediments and Carbonate Paleosols

Professional experience

  • 2017– Present: Research Scientist, Senckenberg Biodiversity and Climate Research Center (BiK-F), Frankfurt, Germany. Funded through DFG Project „eigene Stelle“: Early Hominin Adaptation in the Southern East African Rift.
  • 2017 – Present: Research associate, University of Oxford, School of Anthropology and Museum Ethnography, Institute of Cognitive and Evolutionary Anthropology, Oxford, England
  • 2016 – 2017: Post-Doc, New York University (NYU), Department of Biomaterials and Biomimetics, New York, USA
  • 2016: Research Scientist, Senckenberg Biodiversity and Climate Research Center (BiK-F), Frankfurt, Germany

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.