Paläontologie Endlich Knochen für alle

Menschliche Fossilien sind kostbare Einzelstücke. Digitale Technik macht sie erstmals den Forschern zugänglich

Jean-Jacques Hublin fuchtelt mit einem pyramidenartigen Gebilde herum, an dessen Enden silbrige Kugeln stecken. Auch auf der dunkel getönten Brille des Professors für Anthropologie sitzen Silberkugeln an kleinen Antennen. Hublin steht im Virtual-Reality-Room des Max-Planck-Instituts für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig; hier ist das Zentrum der künstlichen Welt, in der die Paläontologen arbeiten. Auf einer Leinwand dreht sich das digitalisierte Bild eines Neandertaler-Schädels, zusammengesetzt aus Aufnahmen aus dem Computertomografen. Der Institutsdirektor ist begeistert: »Ich mag dieses Spielzeug richtig gern.« Durch die Brille sieht er sein Forschungsobjekt in drei Dimensionen.

Erst seit wenigen Wochen gibt es die Zentrale für simulierte Wirklichkeit am Max-Planck-Institut. Noch funktioniert die Virtuelle Realität in Leipzig nicht ganz: Das »Tracking System« ist bisher nicht einsatzbereit, die Silberkügelchen auf der Brille des Direktors deshalb noch ohne Funktion. Später sollen sie die Strahlen von zwei Infrarotkameras reflektieren und damit ermöglichen, den Standpunkt des Betrachters zu orten. Wird dieser mit den Fossiliendaten verrechnet, soll das 3-D-Objekt auf der Leinwand auch dann nicht verzerrt erscheinen, wenn der Forscher seinen Blickwinkel ändert. »Wir werden um die Schädel herum laufen können«, schwärmt Hublin.

Dann wird auch das pyramidenförmige Gestell zum Einsatz kommen. Es handelt sich um eine 3-D-Computermaus. Mit ihrer Hilfe werden die Wissenschaftler ihre Forschungsobjekte im künstlichen Raum drehen und wenden können.

Die virtuellen Welten sollen gleich zwei reale Ressourcenprobleme der Paläoanthropologen lösen: die Fossilien- und die Geldknappheit. Menschliche Knochenfunde sind Einzelstücke, sorgsam gehütet von den Museen. Um sie zu schützen und trotzdem mehr Forschern zugänglich zu machen, wurden bislang Abgüsse angefertigt. Die Methode hat jedoch ihre Grenzen, wichtige Details können verloren gehen. Virtuelle Abgüsse dagegen erschließen auch winzige Strukturen und können beliebig oft vervielfältigt werden. So können Forscher schneller mehr Fossilien untersuchen und vergleichen, ohne Zeit und Geld für Reisen zu den Museen aufwenden zu müssen.

Mit einem Computertomografen touren die Paläontologen um die Welt

Die Virtuelle Paläontologie bietet völlig neue Einblicke. Verborgene Strukturen wie das Innenohr werden auf Computertomogrammen sichtbar. Der grafische Meißel befreit Fossilien schonend vom Umgebungsgestein, Bruchstücke werden ohne Gips und Klebstoff zusammengesetzt, fehlende Teile durch Spiegelbilder vorhandener Fragmente oder aus einer Datenbank ergänzt. Und Deformationen, entstanden durch Verschiebungen von Gesteinsschichten, können mit Entzerrungsalgorithmen aus dem virtuellen Fossil herausgerechnet werden.

Zunächst aber muss der Neandertaler in den Rechner. Dafür haben sich die Leipziger Paläoanthropologen einen industriellen CT-Scanner zugelegt. Auf dem Objektteller dreht sich wie in einer Mikrowelle ein Fossil. Schicht für Schicht wird es von Röntgenstrahlen durchleuchtet. Der Tomograf schafft eine Auflösung von fünf Tausendstel Millimetern, 100-mal so viel wie ein medizinischer Scanner. Leider ist er etwas unhandlich; eine Tonne wiegt das Gerät, das Zubehör noch einmal eine halbe.

Aufzugstüren öffnen sich zu dem Sechs-Quadratmeter-Raum, den die Maschine ausfüllt. Mit dem Lift kann das Ungetüm von der Stelle bewegt werden, es soll auf Reisen gehen. Da die Museen ihre kostbaren Fundstücke ungern herausrücken, müssen die Forscher zu den Fossilien kommen. Die Leipziger bauen deshalb ein Scan-Mobil, mit dem sie um die Welt touren wollen. Noch warten sie auf den Container mit Bleiverkleidung, in dem der Scanner betrieben werden soll. Zehn Tonnen wird die Sicherheitsverpackung wiegen.

Während der CT-Scanner mit dem Flugzeug reist, wird der Container verschifft. Vor Ort packen die Wissenschaftler den Tomografen in die Bleikiste und verladen das Ganze auf einen Lastwagen. Damit fahren sie bei den Museen vor. Südafrika ist das erste Ziel, danach wollen sie Überreste von Neandertalern im kroatischen Krapina aufnehmen. Und im Sommer wird das Scan-Mobil in Bonn Halt machen, um die Exponate der Jubiläumsausstellung Roots – Wurzeln der Menschheit im Rheinischen Landesmuseum zu tomografieren.

»Das ist nicht einfach nur eine schicke Maschine, mit der wir uns Schädel und Zähne angucken können«, sagt MPI-Direktor Hublin. »Es geht auch nicht einfach um Zähne, sondern um viel mehr.« Etwa darum, wie schnell Neandertaler erwachsen wurden. Der Computertomograf bringt die innere Struktur der Zähne zum Vorschein, die Dicke des Zahnschmelzes lässt auf das Alter zum Zeitpunkt des Todes schließen. Zähne wachsen nämlich ähnlich wie Bäume in Ringen, nur dass ein Ring einem Tag entspricht. Schafft man es, die feinen Schichten zu zählen, kann man das Alter sehr genau bestimmen.

Dazu reicht auch die High-Tech-Ausrüstung am Leipziger MPI nicht. Deshalb packten die Paläoanthropologen ihre Neandertaler-Zähne ein und fuhren damit nach Grenoble zur European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Im Teilchenbeschleuniger ließen sie die Zähne durchleuchten; winzige Mikrostrukturen, auch die Tagesringe, wurden sichtbar. »Das war eine unglaubliche Erfahrung«, erzählt Hublin. Und eine teure: 10 000 Euro kostete der Forschungsnachmittag.

Mit den Daten aus dem Teilchenbeschleuniger haben die Forscher in Leipzig ihre CT-Bilder geeicht. Aus der Zahnschmelzdicke, die sie mit eigenen Geräten messen können, leiten sie die Zahl der Tagesringe und damit das Alter des Neandertalers ab. So fanden sie weitere Hinweise darauf, dass Neandertaler sich um 10 bis 15 Prozent schneller entwickelten als moderne Menschen.

Zähne sind eines der liebsten Forschungsobjekte der Paläontologen, weil sie die Zeit gut überdauern und viel aussagen können über die Lebensweise unserer Vorfahren. Auch der Anthropologe Christoph Zollikofer von der Universität Zürich interessiert sich dafür. Im Mikro-Computertomografen seines Instituts hoch über der Stadt durchleuchtet er gerade einen Unterkiefer. Verglichen mit dem Scanner in Leipzig, ist die blaue Box handlich, dafür passen nur kleine Objekte hinein, Zähne oder Kieferteile. Wollen die Zürcher große Knochen scannen, müssen sie umziehen, erklärt Zollikofer. »Wenn es schnell gehen muss, benutzen wir den Tomografen im Universitätsspital; wenn es besonders genau werden soll, gehen wir zur Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt. Die hat einen Industriescanner.«

Die Ergebnisse der Durchleuchtung holt Zollikofer auf die Bildschirme im Computerraum seines Instituts. Auf einem Monitor dreht sich das digitalisierte Innenohr eines Neandertalers, der im französischen Le Moustier gefunden wurde. Auf einem zweiten Bildschirm durchsucht Zollikofer den Ordner-Stammbaum, klickt auf einen gelben Folder mit dem Namen Homo sapiens und öffnet die dort abgelegte Innenohr-Datei.

Der Anthropologe fährt mit dem Cursor einen der drei gekrümmten Kanäle des Innenohrs entlang: »Der hintere Bogengang liegt beim Neandertaler im Verhältnis zum seitlichen Bogengang normalerweise tiefer als beim modernen Menschen . « Aber ausgerechnet dieses Menschenexemplar hat ebenfalls einen recht flachen hinteren Bogengang, ganz ähnlich wie der Neandertaler. »Wenn man sich nur ein Merkmal anschaut, kann man ganz schnell die falschen Schlüsse ziehen«, sagt Zollikofer. Um Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Vettern genauer bestimmen und Fossilien richtig zuordnen zu können, betrachten er und seine Kollegen deshalb eine Fülle von Merkmalen. Auch dabei hilft der Computer. »Früher konnte man mit dem Zirkel nur einzelne Distanzen auf den Schädeln abmessen und vergleichen, heute geben wir einfach einen Haufen Messpunkte ein und lassen den Computer einen quantitativen Vergleich berechnen – in drei Dimensionen.«

Die Software berechnet aus einzelnen Funden den Norm-Neandertaler

Mit kleinen roten Pfeilen markiert Zollikofer die Messpunkte auf dem Schädel, das Fossil wird virtuell in ein Netz aus Dreiecken zerlegt. Aus je etwa 50 Individuen hat der Forscher einen Durchschnittsmenschen und den Norm-Neandertaler errechnet. Die Abweichungen eines einzelnen Fossils vom Mittelmaß dieser oder jener Hominidenart zeigt das Programm mit grünen Pfeilen an.

Welche Funktion die Unterschiede hatten und ob sie überhaupt eine hatten, verrät der Computer nicht. »In der klassischen Paläoanthropologie wurde oft geraten. So dachten die Forscher, die ausgeprägten Überaugenwülste des Neandertalers wären dazu da gewesen, die Kräfte beim Kauen abzuleiten«, erzählt Zollikofer. Seine Kollegin Marcia Ponce de Léon schaut ihn scharf an: »Dabei hat der Christoph das auch ganz stark.« – »Genau. Wenn mich mal einer findet, glaubt der vielleicht, das wär zum Brilleabstellen«, sagt Zollikofer und schiebt seine Hornbrille auf die Stirn. »Wir drehen jetzt den Spieß um und schauen uns an, wie sich die Merkmale im Laufe des Lebens entwickelt haben.«

Dazu hat Zollikofer seinen Computer mit Schädel-Scans von Neandertalern und modernen Menschen verschiedenen Alters gefüttert. Ein halbes Jahr alt ist der jüngste Neandertaler-Fund; vom Jetztmenschen hat er auch CT-Bilder, die kurz nach der Geburt aufgenommen wurden. »Wenn ein Neandertaler-Baby gefunden würde, wär das toll«, meint Ponce de León. Das könnte die These der beiden stützen: Der virtuelle 3-D-Vergleich zeigt, dass sich die Kopfform von Neandertaler und Homo sapiens sehr früh unterscheidet, vermutlich schon vor der Geburt. Darin sehen die beiden Paläoanthropologen einen Hinweis darauf, dass Neandertaler und moderner Mensch verschiedene Arten sind.

Auch das erste Exemplar, das vor 150 Jahren in der Nähe von Düsseldorf gefunden wurde, hat Zollikofer in seinem Computerlabor bearbeitet. Die Fragmente aus dem Neandertal hat der Anthropologe mit einem Schädelfund aus La Ferrassie hinterlegt. »Die sahen sich wahrscheinlich ziemlich ähnlich«, meint Zollikofer. Wie ein Geist schwebt der französische Neandertaler durchscheinend unter dem deutschen Schädeldach und ergänzt die fehlenden Partien. Der Original-Neandertaler hat endlich ein Gesicht bekommen.

Das Bild vom Neandertaler weiter zusammensetzen – das ist auch das Ziel des Projekts »The Neanderthal Tools« (TNT). Seit zwei Jahren basteln Wissenschaftler von Universitäten und Museen in Poitiers, Zagreb, Mettmann und Brüssel zusammen mit Programmierern und Multimedia-Fachleuten an einer virtuellen Plattform, auf der sich Neandertaler-Forscher austauschen können. Im März soll die Datenbank Nespos (Neanderthal Studies Professional Online Service) auch für externe Wissenschaftler freigeschaltet werden, pünktlich zum Jubiläum.

»Der Prototyp funktioniert schon, wir haben bisher ungefähr 50 3-D-Modelle von Fossilien und Artefakten eingegeben«, sagt Flora Gröning, die das Projekt am Neanderthal Museum in Mettmann koordiniert. Zum Schluss sollen 600 Schädel, Knochen, Zähne, Werkzeuge und Schmuckstücke zugänglich sein – die größte digitale Sammlung von Neandertaler-Funden. Und sie soll weiterwachsen: Die Forscher werden neue Daten hochladen und vorhandene bearbeiten können, in ihren eigenen virtuellen Arbeitsgruppen. Gröning rechnet mit 2000 Nutzern weltweit, von etwa 200 Institutionen.

Neben den Fundstücken werden auch die Fundstätten zu besichtigen sein. Am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam bauen Programmierer aus den Daten von Anthropologen virtuelle Ausgrabungswelten. »Die Forscher können dann ihren Fundplatz in der 3-D-Landschaft lokalisieren, ihre aktuelle Perspektive abspeichern und die Kollegen zur Diskussion einladen«, erklärt Gröning.

Finanziert wird die Neandertaler-Datenbank von der Nespos Society, einem eigens gegründeten Verein. Eines der Vorstandsmitglieder ist Jean-Jacques Hublin. Der MPI-Direktor denkt bereits über neues Zubehör für seine Virtuelle Realität in Leipzig nach. »Ein mittelgroßer CT-Scanner für Kiefer wäre schon praktisch.«