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Mit der Trias begann vor rund 250 Mio. Jahren nicht nur das Mesozoikum, sondern auch das Zeitalter der Dinosaurier. Damals bildeten die heutigen Kontinente eine einzige Landmasse, den Superkontinent Pangaea. Auf Pangaea gab es extrem unterschiedliche Klimazonen: Auf den Küstenstreifen und an den Ufern der Seen und Flüsse wuchs üppige Tropenvegetation, während das Binnenland von heiß-trockenen Wüsten bedeckt war. In der damaligen Vegetation gab es noch keine bedecktsamigen Blütenpflanzen, da diese erst in der Kreide entstanden, sondern nur Nadelgewächse, Farne, Baumfarne und Ginkgos. Typische Vertreter der Landfauna waren unter anderem primitive Amphibien und Krokodile. Erst später kamen die Dinosaurier auf. Am Ende der Trias wurde Pangaea von Dinosauriern beherrscht, die wahrscheinlich viele andere Reptilien verdrängt hatten.
In der Jura, der mittleren Periode des Mesozoikums, zerfiel Pangaea in die beiden Kontinente Gondwana und Laurasia; auch hob sich der Meeresspiegel, so daß große Tieflandbereiche überflutet wurden. Das Klima war feuchtwarm. Die Vegetation wurde vor allem von Nadelgewächsen dominiert, darunter auch Mammutbäume, und es gab die ersten bedecktsamigen Blütenpflanzen. Der üppige Pflanzenbewuchs machte es möglich, daß zahlreiche pflanzenfressende Dinosaurier aufkamen. Allerdings gab es auch schon Raubsaurier, die die Pflanzenfresser und die damaligen Säugetiere jagten. Andere Tiere dieser Periode waren flugfähige Reptilien, sowie Meeresreptilien.
Das Mesozoikum endete mit der Kreide vor ca. 65 Mio. Jahren. In der Kreide zerbrachen Godwana und Laurasia in etwa in die heutigen Kontinente. Das Klima blieb weiterhin feucht-warm, schwankte jedoch stärker in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. In der Vegetation wurden viele Palmfarne, Samenfarne und Nadelgewächse durch bedecktsamige Blütenpflanzen, vor allem Laubbäume, verdrängt. Auch unter Insekten, Krebsen, Fischen, Schildkröten und Säugern kamen viele neue Arten auf. Bei den Dinosauriern entwickelten sich in dieser Zeit ebenfalls zahlreiche neue Arten. Gegen Ende der Kreide starben allerdings alle Dinosaurier aus. Die Ursachen dafür sind unbekannt. Wahrscheinlich kam es infolge drastischer Klimaveränderungen, die möglicherweise durch den Einschlag eines riesigen Meteoriten auf die Erde oder durch gewaltige Vulkanausbrüche ausgelöst wurden, zu einem Massensterben. Diesem fielen nicht nur die Dinosaurier, sondern auch die Meereslebewesen wie die Fischsaurier zum Opfer.
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