Skizze: Der Neandertaler, ein affenähnlicher „wilder Mann“?
(Zeichnung: Lüttgens)

Erst mit Beginn der 1990er Jahre zeigten zahlreiche Untersuchungen, dass sich moderner Mensch und Neandertaler biologisch und kulturell viel ähnlicher sind als gedacht. Auch genetisch tauschten sich die Populationen aus, als sie bis vor ca. 50.000 Jahren zumindest in Eurasien gleichzeitig lebten.

Heikel wird es immer dann, wenn solche Jahreszahlen oder prähistorischen Zeiträume, die als gesichert gelten, korrigiert werden müssen. Über welchen Zeitraum konnten Neandertaler und moderner Mensch nebeneinander existieren? Wie lange konnten sie miteinander in Kontakt treten? Typische Fragen der archäologischen Forschung. Eine genaue Datierung von Funden ist daher eine wichtige Voraussetzung für deren korrekte Einordnung und Interpretation. In diesem Tipp beschäftigen wir uns mit einer Methode, die häufig als Kohlenstoffuhr bezeichnet wird.

Die Radiocarbon-Methode – eine tickende Uhr
Beliebtes Werkzeug zur archäologischen Altersbestimmung ist die Radiocarbon-Methode. Hier gibt es dazu rund um fossile Funde einen Tipp des Monats.

Jüngst sorge diese kurz als C-14-Methode bezeichnete Altersbestimmung für eine interessante zeitliche Korrektur: Der Zeitraum, in dem Neandertaler und Mensch gemeinsam vor 40.000 Jahren in Europa lebten, war wohl kürzer als bisher angenommen. Er musste letztes Jahr reduziert werden - auf nun knapp 4000 Jahre, genauer auf 3960 Jahre +/- 710 Jahre - von „Jetzt“ an gerechnet [3, 4, 5]. Hinweis: Mit „Jetzt“ ist in der archäologischen Forschung das Jahr 1950 festgelegt worden, warum auch immer...

Bereits in den 1950er Jahren muss der amerikanische Physikochemiker Willard F. Libby gewusst haben, dass das maßgeblich von ihm entwickelte Datierungsverfahren für die Altertumsforschung wichtig werden könnte. Seine Rede zur Verleihung des Nobelpreis(es) für Chemie im Jahr 1960 schließt er mit den Worten: „... es ist möglich, schlüssige Radiokarbondaten zu erhalten, die tatsächlich dazu beitragen können, die Seiten der Geschichte zurückzublättern und der Menschheit etwas mehr über ihre Vorfahren und auf diese Weise vielleicht über ihre Zukunft zu verraten.“ [6]

Zur Radiocarbon-Methode: Sie nutzt den radioaktiven Zerfall des Kohlenstoffisotops C-14, das sich – wie alle radioaktiven Isotope – mit der Zeit in ein anderes Element umwandelt. Auch wenn jedes einzelne Isotop zufällig und nicht vorhersagbar zerfällt, so findet der Zerfall vieler solcher instabilen Atomkerne vorhersagbar in regelmäßigen Raten statt - und lässt sich mathematisch genau beschreiben als exponentiell abfallende Funktion. Ein Vergleich: Ein frisch gezapftes Bier hat eine schöne Schaumkrone, die jedoch mit der Zeit zerfällt. Bei einzelnen Schaumblasen können wir nicht sagen, wann sie genau platzen. Aber die Schaumkrone als Ganze ist vorhersagbar bereits nach einigen Minuten zu einem kläglichen Rest zusammengefallen. Wichtige physikalische Größe ist hierbei die Halbwertszeit, das ist die Zeit, bei der die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen Isotope – oder in unserem Vergleich die Schaumblasen - zerfallen sind. Die C-14-Methode kann auch mit einer tickenden Uhr verglichen werden: Der radioaktive Zerfall läuft regelmäßig und voraussagbar ab – wie bei jedem präzisen Zeitmesser.

Die Radiocarbon-Uhr aller Organismen wird ein Leben lang ständig aufgezogen...
Wie entsteht C-14? Ausgangspunkt ist die energiereiche Strahlung aus dem Weltall. Sie besteht aus sogenannten Elementarteilchen, die von unserer Sonne, sowie von anderen Sonnen aus der Milchstraße oder von ferneren Galaxien ständig auf die Erde treffen. Im Wesentlichen sind dies Protonen, die mit unvorstellbar hoher Energie von einigen Petaelektronenvolt; (10¹⁵ eV) in die Erdatmosphäre eintreten. Dort treffen sie auf Gasteilchen der Luft. Als sogenannte Sekundärteilchen werden dabei Neutronen freigesetzt - durch die Kollision von Protonen z. B. mit dem Stickstoff und dem Sauerstoff in der Atmosphäre. Die freigesetzten Neutronen reagieren nun mit weiteren Stickstoffatomen N-14 in der Atmosphäre. Bei dieser Reaktion, die in den Atomkernen der Stickstoffatome stattfindet, entstehen die Atomkerne eines anderen Elements: Kohlenstoff C-14.

Entstehung von C-14 Das Stickstoffisotop N-14 wandelt sich durch die kosmische Strahlung in das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 um: Stickstoff-Isotop N-14 + Neutron → Kohlenstoff-Isotop C-14 + Proton

Neben den beiden stabilen Kohlenstoffisotopen C-12 (ca. 98,9 %) und C-13 (ca. 1,1 %), die beide nicht zerfallen können, findet sich also ein weiteres Kohlenstoffisotop C-14 mit einem Anteil von ca. 1,25·10^-10 % in der Atmosphäre, entstanden durch die kosmische Hintergrundstrahlung. Dieses Isotop wird - wie die beiden anderen Isotope des Kohlenstoffs - als Kohlenstoffdioxid CO₂ über die Fotosynthese von Pflanzen aufgenommen und in deren Gewebestruktur eingebaut. Nun ist das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 in den Nahrungskreislauf gelangt. Tiere nehmen ebenso C-14 in ihren Körper auf, indem sie Pflanzen fressen und das radioaktive Isotop entsprechend seiner Konzentration in der Atmosphäre metabolisieren. Über die Nahrungsaufnahme bzw. die Aufnahme von CO₂ wird also C-14 gleichmäßig in alle lebenden Organismen auf der Erde eingebaut. Wichtig ist jetzt: Der C-14-Gehalt der Lebewesen stimmt mit dem C-14-Gehalt in der Atmosphäre überein. Damit ist unsere C-14-Uhr sozusagen aufgezogen.

...und beginnt mit dem Tod zu ticken.
Das Gleichgewicht zwischen C-12 und C-14, das sich im lebenden Organismus eingestellt hat, verändert sich mit dem Tod: Stirbt ein Organismus ab, wird kein C-14 mehr aufgenommen und die Konzentration des radioaktiven Isotops sinkt im Organismus ab. Das ist sehr nützlich, wenn ein solcher Fund datiert werden muss: Das radioaktive C-14 zerfällt ja ständig - und der Zerfall ist mathematisch genau vorhersagbar. Die bereits erwähnte Halbwertzeit, also die Zeit, in der die Hälfte der vorhandenen Isotope zerfallen sind, beträgt 5700 Jahre, mit einer Unsicherheit von +/- 30 Jahren [7]. Damit ändert sich auch das Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop des Kohlenstoffs C-12 und seinem radioaktiven Zwilling C-14. Dieses Verhältnis bildet die Grundlage für die exakte Datierung eines archäologischen Fundes.

Zerfall von C-14 Beim radioaktiven Zerfall von C-14 entstehen wieder N-14-Atome, wobei Beta-Strahlung, also Elektronen, freigesetzt werden: Kohlenstoff-Isotop C-14 → Stickstoff-Isotop N-14 + Elektron

Anders ausgedrückt: Wird in einem archäologischen Fundstück ein bestimmter C-14-Gehalt gemessen, so lässt sich aus dessen Konzentrationsverhältnis zu dem konstanten C-14-Gehalt der Atmosphäre das Alter eines archäologischen Fundstücks berechnen. Mit den heutigen Messmethoden können bis zu zehn Halbwertszeiten zurückdatiert werden. Dies entspricht einem maximalen Alter eines Fundes von ca. 55.000 Jahren, das mit der Radiocarbon-Methode noch angegeben werden kann.

Die Kohlenstoffuhr tickt unregelmäßig, manchmal geht sie leider nach...
In der Vergangenheit erfolgte die Produktion von C-14 in der Atmosphäre durch die kosmische Strahlung nicht immer gleichmäßig, folglich schwankte das Verhältnis zwischen C-14 und C-12. Mal war der Quotient größer, mal kleiner. Anders ausgedrückt: Pflanzen und Tiere haben - über die Jahrtausende gesehen – in der Vergangenheit nicht immer gleich viele C-14 in ihren Organismus eingebaut.

Die Schwankungen des radioaktiven Kohlenstoffisotops hängen zum einen von der Aktivität der Sonne ab, die für die kosmische Strahlung verantwortlich ist, und von Veränderungen im Erdmagnetfeld, das die Strahlung vor dem Eintritt in die Atmosphäre abschirmt. Zum anderen hat sich auch der ozeanische Kohlenstoffkreislauf, an dem auch das radioaktive C-14 beteiligt ist, aufgrund klimabedingter Strömungsveränderungen in den Weltmeeren immer wieder verändert.

Betrachten wie die letzten 55.000 Jahre, dann lief die Kohlenstoffuhr mal schneller und mal langsamer. Insgesamt läuft sie seit ca. 40.000 Jahren eher zu langsam. Die Folge für die wissenschaftliche Datierung: Archäologische Proben werden jünger datiert, als sie tatsächlich sind.

...und muss ständig nachgestellt werden.
Leider gibt es keinen linearen Zusammenhang zwischen dem C-14-Alter und dem „wahren“ Alter eines archäologischen Fundes. Deshalb geben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer weiter verbesserte Kalibrierungskurven für die Radiocarbon-Methode heraus, zuletzt im Jahr 2020. [7]

Aber was ist nun das „wahre“ Alter einer Probe? Wie lässt sich das genaue Jahr eines archäologischen Fundes durch eine Kalibrierung bestimmen? Um das tatsächliche Alter eines archäologischen Fundes mit der Radiocarbon-Methode so genau wie möglich zu bestimmen, sollte das Verhältnis von C-14 zu C-12 in der Atmosphäre vor dem Tod des Organismus, von dem der Fund stammt, so genau wie möglich bekannt sein.

Anders ausgedrückt: Der Quotient C-14/C-12 eines bestimmten Probenalters muss durch davon unabhängige Messverfahren einem bestimmten Jahr zugeordnet werden. Dann ist es kalibriert. Wie funktioniert nun diese Kalibrierung? Dazu einige Beispiele:

• Die Bestimmung des „wahren“ Alters z.B. einer Holzprobe kann durch einfaches Abzählen von Jahresringen erfolgen. Die Ringe eines Baumstamms verraten verlässlich, wie alt der Baum geworden ist. Der gemessene C-14-Gehalt aus der Radiocarbon-Messung wird diesem Jahr zugeordnet. Die dendrochronologische Kalibrierung der Schwankung des C-14-Gehalts in der Atmosphäre lässt sich bis zum Ende des Pleistozän, also etwa 12.000 Jahre zurückverfolgen.
• Die Bestimmung des „wahren“ Alters kann auch durch das Abzählen von Schichtungen im Sedimentgestein erfolgen, das sich Jahr für Jahr am Boden der Meere abgesetzt hat. Das erfolgt ebenso durch Auszählen der einzelnen Schichten des Sediments.
• Für die Bestimmung des „wahren“ Alters kann auch ein weiterer radioaktiver Zerfall – man spricht von der Uran-Thorium-Zerfallsreihe – eingesetzt werden. So funktioniert´s: Radioaktives Uran, das sich in den Kalk z. B: in Tropfsteinhöhlen einlagert und dort gebunden wird, zerfällt langsam und ebenso berechenbar zu Thorium. Hier spricht man von einem α-Zerfall, bei dem Heliumkerne freigesetzt werden.

Uran-Isotop U-234- → Thorium-Isotop Th-230 + Heliumkern He-4 U-234 wird, wenn von der Decke der Höhle herabtropfendes uranhaltige Kalkwasser eine kerzenförmig nach oben wachsende Stalagmite bildet, fest in deren Kalzit-Kristallgitter eingebaut. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die radioaktive Uranuhr zu ticken. Je älter ein Tropfstein ist, desto größer wird im Innern das Verhältnis des Th-230-Isotops zum ursprünglich vorhandenen U-234-Isotop. Die Uran-Thorium-Methode zur Altersbestimmung benötigt wenig Material, weniger als 1 g. Und sie ist so genau, dass eine Altersbestimmung bis zu einer halben Millionen Jahre zurück - ab heute gerechnet – gelingt. Die Methode reicht also zehnmal weiter in die Vergangenheit zurück im Vergleich zur Radiocarbon-Methode. Ein aktuelles Beispiel: In einer Höhle in China wurden jüngst Messungen zur Kalibrierung der Radiocarbon-Methode genutzt werden. [8, 9]

Hinzu kommen hausgemachte Datierungsprobleme
Die Industrialisierung verdünnt radioaktives C-14: Seit Beginn der industriellen Revolution stoßen wir bekanntlich erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre, das bei der Verbrennung der fossilen Energieträger entsteht. Die verbrannte Kohle und das Rohöl und damit auch das freigesetzte CO₂ enthalten aufgrund ihres hohen Alters – die Kohlenstoffuhr läuft dort schon sehr, sehr lange - keinen messbaren Anteil an C-14 mehr. Diese als Suess-Effekt bezeichnete Verdünnung des C-14-Anteils in der Atmosphäre sorgt dafür, das archäologische Proben als älter angenommen werden, als sie tatsächlich sind.

Hinzu kommen oberirdische Kernwaffentests, die nach dem Ende des 2. Weltkriegs durchgeführt wurden. Sie führen zu starken lokalen Schwankungen des C-14-Gehalts in der Atmosphäre, die bei der Kalibrierung der Radiocarbon-Methode ebenfalls berücksichtigt werden müssen.

Zu guter Letzt
Auch wenn der älteste Knochenrest des modernen Menschen, der in der Bacho-Kiro-Höhle in Bulgarien gefunden wurde, mit der aktuellen 2020er Kalibrierung der Radiocarbon-Methode [4] nur 45.120 Jahre und nicht 45.780 Jahre alt ist und der jüngste Fund eines Neandertalers – an einem Felsüberhang in Westfrankreich gefunden – nicht 40.780 Jahre, sondern 41.160 Jahre alt sein sollte, so kann diese Korrektur der gemeinsamen Zeit beider Arten doch nur vorläufigen Charakter haben – bis zum nächsten archäologischen Fund oder bis zur nächsten notwendigen Kalibrierung.

Persönlich finde ich es sehr spannend, wie ähnlich uns unsere nächsten Verwandten doch gewesen sein müssen – entgegen der Vorstellungen noch vor hundert Jahren vom „Wilden Mann“. Und in welchem Umfang damals gemeinsame Nachkommen gezeugt wurden und was das für uns Menschen heißt. Dazu liefern DNA-Untersuchungen der Aufspaltung zwischen zwei Arten, in unserem Falle zwischen dem Homo sapiens und dem Homo neanderthalensis, bereits aufschlussreiche Hinweise. Doch diese gentechnische Methode – auch als molekulare Uhr bezeichnet – ist ein anderes spannendes Thema.

Literatur:
[1] B.Auffermann, G.-C. Weniger: Neandertaler – Kulturträger oder Wilder Mann? Ein kurzer Rückblick auf 150 Jahre Rezeptionsgeschichte, Neanderthal Museum, In: LANDSCHAFTSVERBAND RHEINLAND (Hrsg.), Roots – Wurzeln der Menschheit. Mainz 2006, 183-188. (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[2] Birgit Neumann: Homo neanderthalensis: Bruder, Vetter, wilder Mann? Seine Darstellung in ausgewählten populär-wissenschaftlichen Magazinen von 1948 – 2006, Magisterarbeit Universität zu Köln 2007 (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[3] Neandertaler und Mensch: Eine kurze Zweisamkeit (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[4] Extended dilation of the radiocarbon time scale between 40,000 and 48,000 y BP and the overlap between Neanderthals and Homo sapiens (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[5] Mischung mit modernem Menschen: Der Neandertaler von nebenan, Spiegel Wissenschaft (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[6] Zitat im Original: „... it is possible to obtain radiocarbon dates which are consistentand which may indeed help roll back the pages of history and reveal to man-kind something more about his ancestors, and in this way perhaps about his future.” Aus: Willard F. Libby : Radiocarbon dating, Nobel lecture, December 12, 1960 (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[7] E.Bard et. al., Extended dilation of the radiocarbon time scale between 40,000 and 48,000 y BP and the overlap betwenn Neanderthals and Homo sapiens, PNAS 35 (Vol. 117), September 1, 2020, 21005-21007. (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[8] Höhle in China: Wie uralte Tropfsteine die Archäologie revolutionieren, in Spiegel Wissenschaft (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)
[9] Atmospheric ¹⁴C/¹²C changes during the last glacial period from Hulu Cave (zuletzt abgerufen am 8.4.2021)

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