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Evolution: Im Wadi der Wale

Foto: Richard Barnes

Evolutionsrätsel Wale in der Wüste

Das Tal der Wale in der ägyptischen Wüste begeistert die Wissenschaft: Mehr als tausend Walskelette haben Forscher dort entdeckt. Sie künden von der erstaunlichen Wandlung der Tiere vom Land- zum Wasserwesen.
Von Tom Mueller

Vor 37 Millionen Jahren verendete im urzeitlichen Tethysmeer ein 15 Meter langes, schlangenförmiges Säugetier mit gezackten Zähnen im klaffenden maul und sank auf den Grund. Im Lauf der Jahrtausende bildete sich eine Sedimenthülle um sein Skelett. Der Ozean wich zurück, der Meeresboden wurde zur Wüste, und die Welt veränderte sich. Verschiebungen in der Erdkruste drückten Indien Richtung Asien und falteten den Himalaja auf. In Afrika stiegen die Urahnen der Menschen von den Bäumen. Die Pharaonen bauten die Pyramiden. Rom stieg auf. Rom ging unter. Und unablässig trug der Wind den Sandstein wieder ab, der die Knochen aus dem Tethysmeer umgab - eine Ausgrabungsarbeit durch die Äonen.

Eines Tages erscheint Philip Gingerich - und vollendet sie. An einem Abend im November 2009 beugt sich der Wirbeltierpaläontologe von der Universität Michigan im Wadi Hitan in der ägyptischen Wüste bei Sonnenuntergang über die Wirbelsäule eines Basilosaurus. Rund um Gingerich verstreut liegen fossile Haifischzähne im Sand, daneben Seeigelstacheln und die Knochen riesiger Katzenwelse. "Ich verbringe so viel Zeit in Gesellschaft dieser Unterwasserwesen, dass ich bald selber in ihrer Welt lebe", sagt er und bürstet mit einem Pinsel über holzklotzgroße Wirbel. "Wenn ich diese Wüste betrachte, sehe ich das Meer." Gingerich ist in Eile. Er sucht ein entscheidendes anatomisches Fragment, aber es wird dunkel, und er muss zurück ins Camp. Das Wadi Hitan ist schön, aber gnadenlos. Gingerich hat hier nicht nur Knochen von urzeitlichen Meeresmonstern gefunden, sondern auch die von verunglückten Menschen.

Er arbeitet sich längs der Wirbelsäule vor bis zum Schwanz und untersucht jeden Wirbel mit dem Pinselstiel. Dann hält er inne und legt das Werkzeug hin. "Na, wer sagt's denn." Sachte entfernt er den Sand mit den Fingern und legt ein knapp 20 Zentimeter langes, schmales Knochenstück frei. "Das Bein eines Wals sieht man nicht alle Tage", sagt er und hebt den Knochen ehrfürchtig mit beiden Händen hoch.

Eine der wohl umfassendsten und erstaunlichsten Wandlungen im Tierreich

Der Basilosaurus war in der Tat ein Wal - aber einer mit zwei zierlichen Beinen! Sie wuchsen ihm aus den Flanken heraus und waren etwa so groß wie die eines dreijährigen Mädchens. Perfekt ausgeformt, aber zum Gehen nutzlos, gaben sie den Wissenschaftlern wichtige Hinweise darauf, wie sich die neuzeitlichen Wale aus vierbeinigen Landsäugern entwickelt haben.

Gingerich hat fast seine gesamte Karriere der Evolutionsgeschichte der Wale gewidmet - einer der wohl umfassendsten und erstaunlichsten Wandlungen im Tierreich. Dabei hat er gezeigt, dass die Wale, die früher von Kreationisten als bester Beleg gegen die Evolutionstheorie angeführt wurden, womöglich die elegantesten Beweise dafür darstellen.

Das Wadi Hitan - übersetzt bedeutet der Name "Tal der Wale" - hat sich als wahre Schatzkammer solcher Beweise für die Evolution erwiesen. In den vergangenen 27 Jahren haben Gingerich und seine Kollegen hier die Reste von mehr als 1000 Walen geortet. Zahllose weitere gilt es noch zu entdecken. Bei unserer Ankunft im Lager treffen wir auf einige seiner Mitarbeiter, die soeben von den Grabungen zurückkehren. Mohammed Sameh, der Leiter des Schutzgebiets Wadi Hitan, berichtet von neuen Knochenfunden, die zur Lösung des großen Rätsels um die Evolution der Wale beitragen könnten. Der Forscher Iyad Zalmout und der Doktorand Ryan Bebej arbeiten an der Freilegung eines Walskeletts, das ein Stück weit aus einer Felswand ragt. "Wir nehmen an, dass der Rest im Felsen steckt", sagt Zalmout.

Wale vollzogen eine evolutionäre Kehrtwende

Der gemeinsame Vorfahr der Wale und aller anderen Landtiere war ein Vierbeiner mit abgeflachtem Kopf und salamanderähnlichem Körper. Vor rund 360 Millionen Jahren kroch er aus dem Meer an ein morastiges Ufer. Bei seinen Nachkommen verbesserte sich die Funktion ihrer primitiven Lungen, und sie passten ihre Kiefergelenke dergestalt an (diese wurden nach und nach zu Ohrknöchelchen), dass sie in der Luft hören konnten statt im Wasser. Ihre Flossen verwandelten sich in Beine.

Aus diesen Pionieren des Landlebens entwickelten sich später die Säugetiere besonders erfolgreich: Schon vor 60 Millionen Jahren beherrschten sie die Erde. Doch jetzt das Besondere: Die Wale gehören zu jenen wenigen Säugetieren, die eine evolutionäre Kehrtwende vollzogen. Ihr für das Leben an Land ausgerichteter Körper entwickelte sich so lange zurück, bis sie wieder unter Wasser leben konnten. Wie es den Walen gelang, eine so gewaltige Veränderung zu durchlaufen, vermochten lange Zeit selbst die hellsten Köpfe nicht zu erklären.

Darwin erkannte, dass dieses Rätsel seine Theorie der Evolution durch natürliche Auslese infrage stellte und unternahm in seiner Schrift über "Die Entstehung der Arten" einen Erklärungsversuch. Er wies darauf hin, dass Schwarzbären dabei beobachtet worden waren, wie sie stundenlang mit geöffnetem Maul in einem See an der Wasseroberfläche schwammen und im Wasser treibende Insekten fraßen. Sein Fazit:

"Ich kann mir unschwer vorstellen, dass eine Bärenrasse durch natürliche Auslese in ihrem Körperbau und ihren Gewohnheiten immer aquatischer wurde und größere Mäuler entwickelte, bis ein Lebewesen von den riesigen Ausmaßen eines Wals entstünde." Doch seine Kritiker machten sich so lautstark über diese Vorstellung lustig, dass sie in den folgenden Auflagen des Buchs gestrichen wurde.

Die seltsamsten und abnormsten aller Säugetiere

Auch knapp 100 Jahre später wusste selbst einer der großen Paläontologen des 20. Jahrhunderts - George Gaylord Simpson - noch nicht, wo die Wale in seinem ansonsten geordneten evolutionären Stammbaum der Säugetiere hingehörten. "Die Wale sind insgesamt die seltsamsten und abnormsten aller Säugetiere", stellte er verdrossen fest. "Auf der Scala naturae findet sich für sie kein rechter Platz."

Wenn die Wissenschaft keine Erklärung für den Wandel der Wale hat, so argumentierten Evolutionsgegner, dann hat er vielleicht nie stattgefunden. Und sollten die Wale diesen enormen Wechsel tatsächlich geschafft haben, wo waren dann die fossilen Belege?

"Die anatomischen Unterschiede zwischen Walen und Landsäugern sind so groß, dass unzählige Wesen in Zwischenstadien in den Urmeeren gelebt haben müssen, bis ein heutiger Wal entstand", schrieben die Verfasser des kreationistischen Lehrbuchs "Of Pandas and People", das 1989 erschien. "Bislang sind diese Übergangsformen noch nicht entdeckt worden."

Gingerich hatte die Herausforderung, sie zu finden, Mitte der siebziger Jahre unbeabsichtigt angenommen: Nach seiner Promotion begann er mit Ausgrabungen im Clarks Fork Basin in Wyoming und dokumentierte den kometenhaften Aufstieg der Säugetiere zu Beginn des Eozäns, zehn Millionen Jahre nach dem Aussterben der Dinosaurier. 1975 wollte er Säugetierwanderungen von Asien nach Nordamerika nachverfolgen und begann in den pakistanischen Provinzen Punjab und Khyber Pakhtunkhwa (der früheren Nordwestgrenzprovinz) mit Grabungen in Formationen aus dem mittleren Eozän. Enttäuscht stellte er fest, dass die von ihm ausgewählten 50 Millionen Jahre alten Sedimente kein trockenes Land waren, sondern Meeresboden am Ostrand des Urozeans Tethys.

"Ich will sie alle finden"

Als sein Team 1977 einige Beckenknochen freilegte, schrieb man sie scherzhaft "laufenden Walen" zu - eine absurde Vorstellung. Denn die damalige Forschung kannte nur Fossilienfunde, die den heutigen Walen ähneln: mit hochentwickeltem Unterwassergehör, kraftvollen Schwanzflossen und ohne äußere hintere Gliedmaßen. 1979 entdeckte einer von Gingerichs Mitarbeitern in Pakistan einen etwa wolfsgroßen Schädel, der aber auffallende und gar nicht wolfsähnliche Knochensegel aufwies. Sie dienten zur Befestigung kräftiger Kiefernmuskeln. Und seltsamerweise war die Gehirnkapsel nur wenig größer als eine Walnuss. Kurze Zeit später entdeckte Gingerich in indischen Museen in Lucknow und Kalkutta altertümliche Walschädel. "Da ergab die winzige Hirnschale allmählich Sinn, denn die ersten Wale hatten einen großen Schädel und ein relativ kleines Gehirn", erinnert sich der Forscher. "Ich überlegte, ob das Wesen mit dem kleinen Hirn vielleicht ein früher Wal war."

Als Gingerich in seinem Labor in Michigan den Schädel aus dem ihn umschließenden roten Stein befreite, fand er ein traubengroßes Stück dichter Knochenmasse an der Schädelbasis. Auf dieser sogenannten Gehör-Bulla sitzt ein S-förmiger Knochenkamm, der sigmoide Knochenfortsatz. Diese beiden anatomischen Besonderheiten sind typisch für Wale, die ihren Hörsinn unter Wasser einsetzen. Doch dem Schädel fehlten andere Anpassungsmerkmale, mit denen heutige Wale richtungsorientiert unter der Meeresoberfläche hören. Gingerich schloss daraus, dass es sich vermutlich um ein halbaquatisches Tier gehandelt haben muss, das einen beträchtlichen Zeitraum in seichten Gewässern verbrachte, zum Ruhen und zur Fortpflanzung aber an Land zurückkehrte.

Mit der Entdeckung dieses primitivsten bekannten Wals, den Gingerich Pakicetus nannte, erschienen die Tiere in einem neuen Licht. "Mir wurde immer klarer, wie enorm der Wechsel der Lebensweisen ist, den die Wale durchlaufen haben ", erinnert er sich. "Diese Tiere waren zunächst an Land beheimatet, eroberten dann aber eine völlig neue Welt und wirken somit als Säugetiere im Meer beinahe wie "Außerirdische". Seither beschäftigt mich die Suche nach den vielen verschiedenen Übergangsformen bei diesem riesigen Sprung vom Land zurück ins Meer. Ich will sie alle finden."

Erst 1989 fand das Team das gesuchte Bindeglied zu den landlebenden Vorfahren der Wale

In den Achtziger jahren richtete Gingerich seine Aufmerksamkeit auf das Wadi Hitan. Gemeinsam mit seiner Frau, der Paläontologin B. Holly Smith, und seinem Fakultätskollegen William Sanders machte er sich auf die Suche nach Walen in Gesteinsformationen, die etwa zehn Millionen Jahre jünger waren als die Schichten, in denen er den Pakicetus entdeckt hatte. Die drei Forscher legten Teilskelette von rein aquatischen Walen wie dem Basilosaurus und dem kleineren, fünf Meter langen Dorudon frei. Diese verfügten über große Gehör-Bullae und andere für das Hören unter Wasser nötige Merkmale, einen stromlinienförmigen Körper mit verlängerter Wirbelsäule und muskulöse Schwanzflossen, mit deren kraftvollen Schlägen sie sich im Wasser fortbewegten. Ihre Skelette waren überall. "Im Wadi Hitan glaubt man schnell, dass man nichts als Wale sieht", sagt Smith. "Und ehrlich gesagt: Genauso ist es!"

Doch erst 1989 fand das Team fast durch Zufall das gesuchte Bindeglied zu den landlebenden Vorfahren der Wale. Gegen Ende der Expedition arbeitete Gingerich am Skelett eines Basilosaurus. Dabei legte er das erste bekannte Knie aus einem Walbein frei. Es gehörte zu einem Bein, das viel weiter unten als erwartet an der Wirbelsäule des Tiers angesetzt war.

Wie die Urahnen der Walegenau aussahen, blieb weiterhin unklar

Da die Forscher nun wussten, wo sie die Beine suchen mussten, nahmen sie die Arbeit an einigen bereits kartierten Walen wieder auf. Schnell fanden sie einen Oberschenkelknochen, ein Schienbein, ein Wadenbein und ein Gebilde, das aus Fuß und Knöchel eines Wals bestand.

Am letzten Tag der Expedition fand Smith einen vollständigen Satz schmaler, zweieinhalb Zentimeter langer Zehen. "Die Erkenntniss, dass diese großen Wassertiere noch funktionsfähige Beine, Füße und Zehen hatten und was das für die Evolution der Wale bedeutete - all das war überwältigend", sagt Smith. Zwar konnten die Beine das Gewicht eines Basilosaurus an Land nicht tragen, aber sie waren nicht ganz verkümmert. Sie besaßen Ansatzstellen für kräftige Muskeln sowie eine spezielle Form im Knie, die das Bein in zwei Positionen stabilisierte. Gingerich vermutet, dass die Beine als Stimulatoren bei der Kopulation dienten.

Egal, was der Basilosaurus mit seinen kleinen Beinen gemacht haben mag - der Fund bestätigt, dass die Urahnen der Wale einst an Land liefen, trabten und galoppierten. Doch wie diese Tiere genau aussahen, blieb weiterhin unklar.

Einige ihrer Skelettmerkmale, insbesondere die großen dreieckigen Backenzähne, ähneln stark denen der Mesonychia, einer Gruppe fleischfressender, primitiver Huftiere aus dem Eozän. In den fünfziger Jahren entdeckten Immunologen bestimmte Eigenschaften im Walblut, die auf die Abstammung von solchen Paarhufern hinweisen.

Als Gingerich das erste Rollbein eines Wals zu Gesicht bekam

In den neunziger Jahren folgerten Molekularbiologen, die den genetischen Code von Walen untersuchten, dass deren engste lebende Verwandte sogar ganz bestimmte Huftiere sind: nämlich die Flusspferde. Wie viele andere Paläontologen vertraute auch Gingerich handfesten Beweisen - den Knochen - eher als den Vergleichen mit molekularen Strukturen lebender Tiere. Er glaubte, dass Wale von den Mesonychia abstammten.

Doch zur Überprüfung dieser Theorie brauchte er einen ganz bestimmten Knochen: das Rollbein im Fußgelenk. Es ist der markanteste Teil des Paarhuferskeletts und hat eine ungewöhnliche Form mit zwei Gelenkrollen sowie deutlich ausgebildeten Kerben am oberen und unteren Ende. Sie ähneln den Rillen einer Flaschenzugrolle, in denen das Seil läuft.

Im Jahr 2000 bekam Gingerich in Pakistan endlich das erste Rollbein eines Wals im Skelettverband zu Gesicht. Sein Doktorand Iyad Zalmout hatte in den Überresten eines neu entdeckten, 47 Millionen Jahre alten Wals - später Artiocetus getauft - ein gekerbtes Knochenfragment gefunden. Wenige Minuten darauf entdeckte der Geologe Munir ul-Haq an derselben Stelle einen ähnlichen Knochen. Anfangs hielt Gingerich die beiden Knochen für Rollbeine mit einer einzelnen Gelenkrolle vom linken und rechten Bein desselben Tiers - also für den Beweis seiner Theorie von der Herkunft der Wale.

Doch als er sie miteinander verglich, stellte er beunruhigt fest, dass sie leicht asymmetrisch waren. Er setzte die Knochen auf unterschiedliche Weise zusammen, wie schwierige Puzzleteile. Plötzlich rasteten sie ein und bildeten ein perfektes Doppelrollengelenk. Das bedeutete, dass die Laborforscher recht hatten: "Dieser Fund war enorm wichtig, brachte mir aber alles durcheinander", sagt Gingerich augenzwinkernd. "Nun wussten wir wenigstens, woher Wale kommen - und dass die Flusspferdtheorie nicht völlig aus der Luft gegriffen war."

Die ersten Wale entwickelten sich, als die Temperaturen auf der Erde anstiegen

Seit dieser entdeckung vervollständigen Gingerich und andere Paläontologen die Geschichte der Wale Zahn um Zahn und Zeh um Zeh. Gingerich glaubt, dass die ersten Tiere den Anthracotherien ähnelten. Diese schlanken, flusspferdartigen Pflanzenfresser bewohnten im Eozän sumpfiges Tiefland.

Wie auch immer sie ausgesehen haben mögen, die ersten Wale entwickelten sich - wie alle anderen neuzeitlichen Säugetierordnungen - vor etwa 55 Millionen Jahren, als zu Beginn des Eozäns die Temperaturen auf der Erde anstiegen. Sie lebten an der Ostküste des Tethysmeeres. Dort boten sich besonders gute Bedingungen für evolutionäre Entwicklungen: Es war warm und salzig, außerdem reich an Meeresflora und -fauna, aber frei von Wassersauriern (sie waren zehn Millionen Jahre zuvor ausgestorben). Auf der Jagd nach neuer Nahrung wateten die Wale immer tiefer ins Wasser und entwickelten allmählich eine längere Schnauze und schärfere Zähne, die den Fischfang erleichterten.

Vor rund 50 Millionen Jahren hatten sie das Stadium des Pakicetus erreicht. Sie waren jetzt vierbeinige geübte Schwimmer, die sich immer noch an Land bewegten. Durch die Anpassung an das Wasser erreichten die frühen Wale Zugang zu einem Habitat, in dem die meisten anderen Säugetiere gar nicht leben konnten. Es bot reichlich Nahrung und Schutz, aber nur wenige Konkurrenten und Feinde - ideale Bedingungen für einen gewaltigen Schub bei der Entwicklung neuer Walarten.

Die meisten dieser evolutionären Experimente endeten lange vor dem Beginn der Neuzeit, indem die jeweilige Entwicklungsstufe ausstarb. Der gut 700 Kilo schwere Koloss Ambulocetus war ein Lauerjäger mit Stummelbeinen und riesigen Schnappkiefern, der einem behaarten Salzwasserkrokodil ähnelte. Dalanistes hatte einen reiherartigen langen Hals und Kopf. Makaracetus einen kurzen, gebogenen und muskulösen Rüssel, mit dem er wahrscheinlich Weichtiere fraß.

Die Vorteile der maritimen Lebensumwelt lockten die Wale ins Meer hinaus

Vor etwa 45 Millionen Jahren lockten die Vorteile der maritimen Lebensumwelt die Wale weiter hinaus ins Meer. Ihr Hals verkürzte und versteifte sich, um eine effektivere Fortbewegung im Wasser zu ermöglichen. Die Schnauze wurde lang und spitz wie ein Schiffsbug. Die Hinterbeine verdickten sich, die Zehen bekamen Schwimmhäute, bis sie riesigen Entenfüßen ähnelten, an deren Spitzen winzige Hufe wuchsen, die sie von ihren Huftiervorfahren geerbt hatten. Die Schwimmtechnik verbesserte sich, manche Wale entwickelten einen kraftvollen Schwanz und konnten dank der energischen Wellenbewegungen des hinteren Teils ihres Körpers pfeilschnell schwimmen.

Der Selektionsdruck für diese wirkungsvolle Fortbewegungsmethode bewirkte eine längere und beweglichere Wirbelsäule. Die Nasenlöcher rutschten nach hinten hinauf zum Scheitel und wurden zu Blaslöchern. Mit der Zeit tauchten die Tiere tiefer, und ihre Augen rückten von der Oberseite an die Kopfseiten, damit sie im Wasser besser seitwärts sehen konnten. Und die Ohren der Wale reagierten immer empfindlicher auf Unterwassergeräusche.

Obwohl sie an das Meer angepasst waren, mussten sich die Wale vor 45 Millionen Jahren noch auf Schwimmfüßen an Land schieben, wenn sie einen Partner zur Paarung oder einen Gebärplatz suchten. Doch innerhalb weniger Millionen Jahre erreichten die Wale den Punkt, an dem es kein Zurück mehr gab: Basilosaurus, Dorudon und ihre Walverwandten setzten keinen Fuß mehr an Land. Sie lebten auf hoher See und überquerten sogar den Atlantik, bis sie die Küsten des heutigen Peru und der nordamerikanischen Südstaaten erreichten.

Ihr Körper passte sich an die rein aquatische Lebensweise an. Die Vorderbeine wurden kürzer und steifer, um als Flossen ein Gleiten im Wasser zu ermöglichen. Die Schwanzspitze verbreiterte sich zur Fluke, die im Wasser als Tragfläche diente. Das Becken löste sich von der Wirbelsäule. Diese Entwicklung gab dem Schwanz bessere senkrechte Beweglichkeit. Doch die Hinterbeine blieben erhalten: mit winzigen Knien, Füßen und Zehen - unnütz zum Gehen, aber vielleicht gut für die Paarung.

"Meine Arbeit empfinde ich als sehr spirituell"

Der abschliessende übergang von den Basilosauriern zu den neuzeitlichen Walen begann vor 34 Millionen Jahren während der plötzlichen Abkühlungsphase, die das Ende des Eozäns einleitete. Die Wassertemperatur an den Polen sank, die Meeresströmungen verschoben sich. An der Westküste von Afrika und von Europa gab es mehr nährstoffreiches Wasser, wodurch die Wale in neue ökologische Nischen gelockt wurden. Zudem beschleunigte sich ihre Anpassung für ein Leben im Meer. Die heutigen Wale haben ein großes Gehirn, Echo-Ortung, wärmespeichernden Speck, und manche Arten haben anstelle von Zähnen Barten, mit denen sie Krill aus dem Wasser filtern.

Es ist großenteils Philip Gingerich zu verdanken, dass die Fossile der Wale heute einen der eindrucksvollsten Beweise für Darwins Evolutionstheorie liefern, statt sie zu widerlegen. Gingerich ist in einer amisch-mennonitischen Familie im Osten von Iowa aufgewachsen, wo die Gesellschaftsnormen strengen christlichen Prinzipien folgen. Doch damals wie heute spürt er keinen Konflikt zwischen Glauben und Wissenschaft. "Sie müssen bedenken, das waren sehr bescheidene Menschen, die ihre Meinung nur dann zum Ausdruck brachten, wenn sie viel über ein Thema wussten."

Gingerich wundert sich noch immer darüber, dass viele Menschen einen Konflikt zwischen Religion und Wissenschaft sehen.

An meinem letzten Abend im Wadi Hitan gehen wir ein Stück vom Camp entfernt unter einem funkelnden Sternenhimmel spazieren. "Ich war eigentlich nie besonders gläubig", sagt der Forscher. "Aber meine Arbeit empfinde ich als sehr spirituell. Stellen Sie sich doch nur mal vor, wie die Wale hier umhergeschwommen sind, wie sie lebten und starben, wie sich die Welt verändert hat. All das schafft eine Verbindung mit etwas Größerem als dem eigenen Ich, unseren Mitmenschen oder dem Alltag."

Er breitet die Arme aus und blickt auf den dunklen Horizont der Wüste mit ihren Windskulpturen aus Sandstein und ihren zahllosen schweigenden Walen. "Hier ist Platz für genau so viel Religion, wie man braucht."

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