Der Isthmus von Panama: Aus der Tiefe der Erde

Die Entstehung der schmalen Landbrücke, die Süd- und Nordamerika miteinander verbindet, ist ein wichtiges Datum in der geologischen Geschichte. Mehr als einmal in den letzten 100 Millionen Jahren wurden die beiden großen Landmassen durch tiefe Ozeane getrennt. Der schmale Abschnitt Mittelamerikas, der sie jetzt verbindet – an seiner schmalsten Stelle entlang der Landenge von Panama – veränderte nicht nur die Weltkarte, sondern auch die Zirkulation der Ozeane, den Verlauf der biologischen Evolution und wahrscheinlich das globale Klima. Als gequältes Produkt verschiedener Kräfte wurde die heutige Version der Landenge wahrscheinlich durch Vulkanismus und Bewegungen tektonischer Platten vor 15 Millionen bis 3 Millionen Jahren geformt.

Cornelia Class, Geochemikerin am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University, und Esteban Gazel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lamont, der jetzt am Virginia Polytechnic Institute tätig ist, untersuchen eine der geheimnisvollsten Kräfte, die auf dieser natürlichen Baustelle wirken: den Galápagos Plume.Der Plume ist ein langlebiger, heißer Auftrieb von Material aus der Tiefe der Erde, das nahe der Oberfläche schmilzt und eine Reihe von Vulkanen gebildet hat, sowohl unter Wasser als auch in Form von Inseln im Meer. Der immer noch aktive Plume, der aus dem Erdmantel in Dutzenden von Kilometern Tiefe kommt, ähnelt den heißen Magmaplots, die unter Hawaii und Yellowstone versickern. Man geht davon aus, dass er vor etwa 100 Millionen Jahren mit riesigen Lavaströmen unter der heutigen Karibik begann, sich aber seitdem vor allem aufgrund der Bewegung tektonischer Platten weit nach Süden und Westen in den Pazifik verlagert hat, bis zu seinem derzeitigen aktiven Standort unter den Galápagos-Inseln, etwa 600 Meilen entfernt. Gazel und Class versuchen, seine Lebensgeschichte und seine Rolle bei der Entstehung der Landbrücke zu entschlüsseln. Normalerweise sind solche Felsen weit unter der Oberfläche begraben oder liegen tief auf dem Meeresboden. Hier sitzen sie auf mehr oder weniger trockenem Land und bieten ein ungewöhnliches Fenster in die Prozesse der tiefen Erde.

Im Herbst 2012 machten sich Class und Gazel auf der Halbinsel Azuero in Panama, die in den Pazifischen Ozean hineinragt, auf die Suche nach Gesteinen, die durch den Plume entstanden sind. Gazel, der im benachbarten Costa Rica aufgewachsen ist (wo es identische Gesteine gibt), hat sich auf die Untersuchung dieser Region spezialisiert. Er ist gleichermaßen zu Hause, wenn er über die Chemie der Schmelzfraktionierung diskutiert oder mit einem 8 Pfund schweren Vorschlaghammer über der Schulter herumläuft und nach Felsbrocken Ausschau hält, die er aufbrechen kann. Class, eine ursprünglich aus Deutschland stammende Geochemikerin, ist Expertin für Mantelchemie; sie hat an Gesteinen aus Ostafrika, der Antarktis und dem Grund des Atlantischen Ozeans gearbeitet. „Die Menschen versuchen oft, weit entfernte Dinge zu verstehen, z. B. wie sich die Sterne bilden“, sagt Class. „Eigentlich sollten wir viel näher an unserem Zuhause suchen. Hier versuchen wir zu verstehen, was sich unter uns befindet. Wie hat sich die Erde selbst entwickelt?“

Der weitgehend unbesiedelte westliche Teil der Azuero-Halbinsel ist für Geologen ein schwieriges Pflaster. Die steilen Hügel sind mit dichter roter Erde, feuchten Wäldern und Weiden bedeckt; Felsen sind nur selten zu sehen, außer in einigen Bachbetten oder entlang der Küste, wo die starke Erosion Vegetation und Erde abgetragen hat. Erst vor kurzem wurde eine einzige kleine asphaltierte Straße einen Teil der Küste entlang gebaut, so dass man sich bei der Arbeit im Landesinneren durch schlammige Pisten quälen, Bäche durchqueren und in den gigantischen Regengüssen, die während der Regenzeit jeden Nachmittag über das Land fegen, stecken bleiben muss. Entlang der Küste selbst sind die besten Forschungsstandorte Meeresklippen, Landzungen, freistehende Inselchen und Geröllhalden, die direkt in das gefährlich aufgewühlte Meer stürzen. Um an diese Stellen heranzukommen, heuern Gazel und Class einen örtlichen Fischer an, der mit seinem Boot so nah wie möglich heranfährt. Dann stürzen sie sich mit dem Vorschlaghammer und anderen Gerätschaften über die Bordwand und schwimmen durch die Brandung dorthin. Wenn sie Glück haben, gibt es einen kleinen Strand, an dem sie anlanden können; wenn nicht, müssen sie aufpassen, dass sie nicht von den Wellen gegen die Felsen geschleudert werden. Nachdem sie Proben entnommen haben, schwimmen sie zurück zum Boot, das nun mit ihren Werkzeugen und den Felsen beschwert ist. Zum Glück sind Gazel und Class starke Schwimmer – und die Haie und Krokodile, die manchmal in diesen Gewässern ihr Unwesen treiben, scheinen nicht in der Nähe zu sein.

Die Felsen in diesem Teil Panamas sind ein kompliziertes Gemisch, das die komplexe Geschichte des Isthmus widerspiegelt. Anhand ihrer stark verwitterten Oberfläche ist es schwer, eine Art von der anderen zu unterscheiden. Nur wenn sie sie aufbrechen, können Gazel und Class feststellen, ob sie ihren Steinbruch gefunden haben. Es handelt sich um Pikrit – eine Art von Eruptivgestein, das kristallisiert, wenn Magma aus dem Erdmantel nach oben steigt. Er entsteht in der Regel auf dem Meeresboden und enthält gelblich-grüne Olivinkristalle, ein typisches Mineral aus dem Erdmantel, das in Gesteinen, die näher an der Oberfläche entstehen, nicht vorkommt. Gazel und sein Doktorand Jarek Trela bahnen sich ihren Weg durch Haufen von abgerundeten Felsblöcken wie Sträflinge auf einem Gefängnissteinhaufen und schwingen den Schlitten so lange auf vermeintliche Felsblöcke, bis eine Kante abbricht. Wenn sie Glück haben, liegen die verräterischen Kristalle im Inneren; dann zertrümmern sie das Gestein in kleinere Stücke. Class benutzt einen kleineren Geologenhammer, um die verwitterten Außenkanten der faustgroßen Stücke zu säubern, bevor er sie eintütet.

Geologen gehen davon aus, dass die Galápagos-Fahne vor mehr als 100 Millionen Jahren unter dem heutigen Mittelamerika aktiv wurde. Vor etwa 75 Millionen Jahren, also vor dem Zeitalter der Dinosaurier, trugen riesige Lavaströme aus der Wolke zur Bildung einer früheren Version der Landbrücke bei. Außerdem schoben sich tektonische Platten gegeneinander und drückten Teile des Meeresbodens aus dem Wasser. Irgendwann verwandelten die kombinierten Prozesse den Ozean in Sumpfland, dann in ein Archipel und schließlich in trockenes Land. Die Amerikas wurden verbunden. Lebewesen, die einst auf dem einen oder anderen Kontinent isoliert lebten, konnten wandern und sich hin- und herbewegen. Der Beweis dafür ist heute in Fossilien zu sehen, die die Evolutionsbäume von verwandten Dinosauriern und frühen Würmern, Schlangen und Säugetieren an so weit auseinander liegenden Orten wie Utah und Argentinien zeigen. Man geht jedoch davon aus, dass diese erste Landbrücke vor etwa 50 oder 65 Millionen Jahren durch anhaltende tektonische Bewegungen zerbrochen ist. (Das letztgenannte Datum stimmt ungefähr mit einem riesigen Meteoriten überein, der vor Mexiko einschlug und die Dinosaurier auslöschte; ob dies jedoch in irgendeiner Weise mit dem Abbruch zusammenhing, ist unbekannt.)

Vor etwa 15 bis 65 Millionen Jahren wanderte die Galápagos-Wolke westwärts in den Pazifik und bildete eine Reihe von Vulkaninseln und Unterwasservulkanen. Gleichzeitig bewegte sich die darüber liegende tektonische Platte des Pazifiks zurück nach Osten. Während sich die Platte bewegte, trug sie die Überreste der Vulkane, die aus der Pflaume entstanden waren, zurück nach Mittelamerika. Hier kollidierte die pazifische Platte langsam mit einer anderen Platte, die sich von der heutigen Karibik her näherte. Als die beiden Platten aufeinander trafen, wurden Teile von ihnen nach oben gedrückt, und eine zweite Landbrücke begann sich zu bilden. Einige Inseln und Seeberge, die von der pazifischen Platte stammten, wurden auf die entstehende Landmasse geklebt, wie Kirschen auf ein Törtchen. Die nun bröckelnden Überreste dieser wandernden Vulkanberge bilden einen Großteil der Hügel und Meeresklippen der Halbinsel. Die Vulkanfahne bricht weiterhin unter den weit entfernten Galápagos-Inseln (die zu Ecuador, nicht zu Panama gehören) aus. Seine genaue Form und die Dynamik der aktuellen Eruptionen sind immer noch Gegenstand einiger Rätsel.

Zurück in den Labors der Forscher bei Lamont-Doherty und Virginia Tech werden chemische Analysen der panamaischen Pikriten dazu beitragen, den Zeitpunkt, die Temperaturen und andere Bedingungen zu ermitteln, unter denen sich die Felsen gebildet haben. Die Forscher hoffen, dass dies nicht nur Aufschluss über die Entstehung der Landenge, sondern auch über Prozesse in der Tiefe der Erde geben wird. Gazel und andere Kollegen beschäftigen sich schon seit einiger Zeit mit dem Galápagos-Plume. Zu ihren ersten Erkenntnissen gehört, dass sich das Magma des Plumes seit der Zeit der Dinosaurier um etwa 200 Grad abgekühlt hat und dass die Größe und Geschwindigkeit der Eruptionen abgenommen haben. Das könnte bedeuten, so Gazel, dass „Mantelplumes wie Menschen sind: Sie werden alt und sterben“. Aber dieser hier, sagt er, hat noch einen weiten Weg vor sich, bevor er erlischt – wahrscheinlich mehrere zehn Millionen Jahre.

In Bezug auf die aktuelle Landbrücke favorisiert Gazel die derzeitige Theorie, dass sie sich nach und nach bildete und wie die frühere Brücke als eine Reihe von Sümpfen, Meerengen und Inseln vor vielleicht 15 Millionen Jahren begann. Vor etwa 8 Millionen Jahren stiegen die sich bewegenden Seeberge vom Meeresboden auf und stießen mit den zusammenwachsenden Landmassen zusammen. Er glaubt, dass es diese Berge waren, die die Landenge schließlich vollständig schlossen und Panama und Costa Rica zum Scharnierpunkt des amerikanischen Kontinents machten. „Ohne diese Berge gäbe es die Landbrücke nicht“, sagt er. Der konventionell akzeptierte Zeitpunkt der vollständigen Schließung liegt bei etwa 3,5 Millionen Jahren, aber Gazel ist der Meinung, dass dies schon ein paar Millionen Jahre früher geschehen sein könnte. Dies ist umstritten; eine neuere Studie anderer Forscher geht von 13 bis 15 Millionen Jahren aus.

Was auch immer die genaue Abfolge und der Zeitpunkt sein mögen, die Fossilien zeigen, dass Lebewesen, die sich über Dutzende von Millionen Jahren isoliert in den getrennten Teilen Amerikas entwickelt hatten, wieder begannen, sich von Norden nach Süden zu bewegen und weiterzuentwickeln. Zu den ersten gehörten diejenigen, die gut schwimmen oder zumindest waten konnten: nach Süden gerichtete Tapire, Pekaris und elefantenähnliche Gomphotheres sowie nach Norden gerichtete Riesenfaultiere oder Megatherium, von denen einige bis zu 30 Meter groß waren. Als sich die Landbrücke füllte, wurde aus dem Rinnsal der Einwanderer eine Flut. Dies gipfelte vor einigen Millionen Jahren im so genannten Great American Biotic Interchange. Zu verschiedenen Zeiten strömten aus Südamerika die Vorfahren der heutigen nordamerikanischen Gürteltiere, Stachelschweine und Opossums sowie längst ausgestorbene, räuberische, flugunfähige Vögel nach oben. Aus Nordamerika kamen Hirsche, Mastodonten, Kamele, Waschbären, Katzen, Hunde und Nagetiere aller Art nach unten. Aus unbekannten Gründen war die Invasion aus dem Norden viel erfolgreicher als die aus dem Süden. Infolgedessen wurden viele Arten aus dem Süden durch die aus dem Norden ersetzt – die Vorfahren der heutigen Jaguare, Lamas und anderer charakteristischer südamerikanischer Tiere.

Die Landenge vereinte Kontinente, aber sie teilte Ozeane. Nach der Trennung von Atlantik und Pazifik entwickelten sich Meereslebewesen wie Mollusken auf der flachen, warmen Karibikseite ganz anders als auf der kälteren, tieferen Pazifikseite. Auch die Zirkulation des Ozeanwassers selbst wurde völlig verändert; vor der Teilung floss das Wasser von Osten nach Westen, vom Atlantik zum Pazifik, doch jetzt war der Fluss blockiert. Dadurch entstand ein permanenter riesiger Umweg im Atlantik – der Golfstrom -, der nun warmes Wasser aus den Tropen an den Rand der Arktis drückt. Der Transport dieser Wärme verleiht Nordeuropa nun sein gewohntes warmes Klima. Und da die Wärme die Verdunstung erhöht, hat sie wahrscheinlich auch die Niederschläge in Form von Schnee im Norden verstärkt. Zu verschiedenen Zeiten des Erdzyklus hat sich dieser zu Gletschern aufgetürmt und die nördliche Hemisphäre in eine Reihe von großen Eiszeiten getrieben, die sie in den letzten Millionen Jahren erlebt hat. Auf der pazifischen Seite änderten sich auch die Wettermuster, wobei das tiefe Wasser entlang der westlichen Küsten beider Kontinente ständig anschwoll und das zyklische El-Niño-Muster dominierte, bei dem sich die östliche Meeresoberfläche abwechselnd erwärmt und abkühlt. El Niño steuert nun direkt oder indirekt die Niederschläge und damit die Landwirtschaft in weiten Teilen Asiens und beider Amerikas über Jahrzehnte hinweg.

„Die Gesteine, unser Forschungsgebiet, sind so eng“, sagt Gazel. „Aber es hilft uns auch, viel über die Biologie und das Klima der Erde zu verstehen.“

Der Isthmus von Panama ist nicht einzigartig. Auch anderswo sind andere Landbrücken entstanden und verschwunden. Die Beringstraße, die heute Alaska und Sibirien trennt, war zeitweise die Bering-Landbrücke, als Eiszeiten einen Großteil des Wassers auf der Erde in Eis einschlossen und den Meeresspiegel senkten. Möglicherweise war sie der Weg, über den Menschen und andere Lebewesen Amerika betraten. Zu Zeiten niedrigerer Meeresspiegel verbanden andere, heute verschwundene Brücken einst Großbritannien mit dem europäischen Festland, Sri Lanka mit Indien und Teile von Indonesien oder Australien mit Asien. Die ägyptische Sinai-Halbinsel verbindet heute Afrika und Eurasien, aber das war nicht immer so; diese Kontinente waren einst getrennt und werden es vielleicht eines Tages wieder sein.

Panama bleibt in jeder Hinsicht ein Scheideweg. Als die Spanier in den frühen 1500er Jahren kamen, machten sie es schnell zu einer Engstelle zwischen zwei großen Ozeanen und nutzten es als Sprungbrett, um in den Westen Amerikas einzudringen. Bereits 1524 sprachen sie von einem Kanal, den sie aber nie in Angriff nahmen. Nach dem Goldrausch in Kalifornien im Jahr 1849 führte eine Eisenbahnlinie über den Isthmus eine Flut von Migranten nach Westen. Die Franzosen versuchten in den 1880er Jahren, einen Kanal zu bauen, wurden aber durch Malaria und Erdrutsche daran gehindert. Nach der Übernahme durch die Vereinigten Staaten wurde 1914 der 45 Meilen lange Panamakanal fertiggestellt, der bis heute eine wichtige Handelsroute darstellt. Als Scharnier zwischen den beiden großen Kontinenten verfügt Panama (wie auch Costa Rica) über eine übergroße Artenvielfalt: Hunderte von Reptilien- und Amphibienarten, mindestens 950 Vogelarten und legendäre jährliche Wanderungen von Vögeln und Meeresschildkröten auf der Azuero-Halbinsel und in den umliegenden Gebieten.

Der Panamakanal war ein Segen für Geologen, die viele ihrer ursprünglichen Erkenntnisse über die Geschichte der Region aus den bei den Ausgrabungen freigelegten Gesteinen gewinnen konnten. Heute wird daneben ein noch größerer Kanal gegraben, und die Forscher sind wieder auf dem Weg dorthin. Im Moment bevorzugen Gazel und Class jedoch die wildere, abgelegenere Halbinsel Azuero. Für uns ist es wichtig, hierher zu kommen, um zu versuchen, die Felsen zu lesen“, sagt Gazel. „Ich genieße auch die Natur. Es gibt nicht mehr viele Orte, an denen man so weit von der Zivilisation entfernt sein kann.“

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