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Leben unter dem Ozeanboden

Tiefe Biosphäre: Heißes Limit ausgelotet

Das Tiefsee-Bohrschiff Chikyu hat Bohrkerne aus dem Untergrund des Nankai-Grabens vor Japan gewonnen. (Bild: JAMSTEC)

Ab wann wird’s dem Leben zu heiß? Forscher berichten über neue Einblicke in die irdischen Existenzgrenzen: Sie haben die Temperaturlimits des mikrobiellen Lebens in den zunehmend heißen Tiefen unter dem Meeresboden ausgelotet. Analysen von Bohrkernen aus dem extremen Lebensraum legen nahe, dass manche hyperthermophile Bakterien dort noch bei bis zu 120 Grad Celsius existieren können.

Beim Begriff Biosphäre denken wir an die bunte Vielfalt der Lebewesen, die auf der Erdoberfläche und in den Ozeanen leben. Doch in den letzten Jahrzehnten haben Studien verdeutlicht, dass es einen gewaltigen Teil der Biosphäre gibt, der uns weitgehend verborgen bleibt: Unter der Erdoberfläche und vor allem in den Sedimentschichten unter den ozeanischen Böden existieren enorme Mengen von Mikroben bis in Tiefen von mehreren Kilometern. Dieser Lebensraum ist allerdings noch immer geheimnisvoll. Eine offene Frage ist dabei, wo seine Grenzen liegen, und wodurch sie bestimmt werden. Neben der Verfügbarkeit von Nährstoffen und dem Druck könnte ein limitierender Faktor die Temperatur sein. Denn durch die zunehmende Nähe zur Erdmitte macht sich das heiße Innere unseres Planeten bemerkbar.

Von einigen heißen Lebensräumen der Erde sind bereits sogenannte hyperthermophile Bakterien und Archaeen bekannt, die sogar noch mit Temperaturen von rund 120 Grad Celsius zurechtkommen. Doch ab wann wird es den mikrobiellen Lebensformen im Untergrund des Meeresbodens zu heiß? Dieser Frage hat sich ein internationales Forscherteam unter der Beteiligung des MARUM – Zentrums für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen gewidmet. Die Wissenschaftler untersuchten dazu Proben aus Bohrkernen. „Nur wenige wissenschaftliche Bohrungen haben bisher Tiefen erreicht, in denen die Sedimente heißer sind als 30 Grad Celsius“, erklärt Studienleiter Kai-Uwe Hinrichs vom MARUM. „Daher war es das Ziel der T-Limit-Expedition, mit einer kilometertiefen Bohrung in bis zu 120 Grad Celsius heißen Sedimenten wissenschaftliches Neuland zu erkunden – und das ist uns gelungen“, sagt der Wissenschaftler.

Bohrungen in der Tiefe unter dem Meeresboden

Wie er und seine Kollegen erklären, sind Temperaturen von 120 Grad Celsius in der Regel nur in großer Tiefe – etwa 4000 Meter unter dem Meeresboden zu finden. Um nicht so tief bohren zu müssen, wählten die Forscher deshalb einen Ort der Probenahme aus, bei dem schon in einer geringeren Tiefe diese Temperaturen vorliegen: Das Tiefsee-Bohrschiff Chikyu gewann Bohrkerne im Nankai-Graben vor Japan. Dort mussten die Experten zwar eine Wassertiefe von 4,8 Kilometer überwinden, doch 120 Grad Celsius konnten schon mit einer nur 1180 Meter tiefen Bohrung in den Untergrund erreicht werden, berichten die Wissenschaftler. So konnten sie Material aus unterschiedlichen Temperaturbereichen gewinnen.

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Um das mikrobielle Leben in den Proben nachweisen zu können, wurden einige davon per Helikopter in Reinstraumlabore nach Japan gebracht. Dort wurden sie mit den modernsten Techniken der Molekularbiologie untersucht, um die Lebensformen sichtbar zu machen beziehungsweise ihre Stoffwechselprozesse nachzuweisen. „Ohne einen Teil der Forschung an Land durchzuführen, in einer qualitativ hochwertigen und kontrollierbaren Forschungsumgebung, wäre das Ziel der Expedition nicht erreichbar gewesen“, sagt Co-Autor Yuki Morono vom Kochi Institut für Bohrkernforschung der japanischen Agentur für marine Geoforschung und Technologie (JAMSTEC).

Manche mögen’s heiß

Wie das Team berichtet, zeichnete sich in den Analyseergebnissen der Proben aus den verschiedenen Temperaturbereichen ein überraschender Abfall und anschließender Anstieg ab: „Erstaunlicherweise bricht die mikrobielle Populationsdichte bereits bei einer Temperatur von rund 45 Grad ein“, sagt Co-Autor Fumio Inagaki von JAMSTEC. „Und dann konnten wir in tieferen, noch wärmeren Zonen wieder Zellen sowie mikrobielle Aktivität nachweisen – bis zu einer Temperatur von 120 Grad Celsius“. Wie die Wissenschaftler weiter berichten, wird in den besiedelten Zonen Methan bis in einen Temperaturbereich von 80 Grad durch biologische Stoffwechselprozesse produziert. In den noch heißeren Bereichen bis 120 Grad Celsius konnten die Forscher dann nachweisen, dass die erhöhten Zellkonzentrationen auf Acetat-abbauende, hyperthermophile Mikroben zurückzuführen sind.

Ein weiteres Ergebnis war: In den Bereichen mit über 45 Grad Celsius wechselten sich besiedelte Zonen mit solchen ab, in denen die Forscher keine Mikroben nachweisen konnten. „Dieses Ergebnis ist faszinierend – demnach gibt es im heißen Ozeanboden ausgedehnte, scheinbar nahezu leblose Tiefenintervalle“, sagt Inagaki. Die Untersuchungen zeigten zudem: Während die Konzentration der vegetativen Zellen bei über 45 Grad Wärme stark abnimmt und nur noch ein Niveau von weniger als 100 Zellen pro Kubikzentimeter Sediment erreicht, steigt die Konzentration von „schlummernden“ Zellen rapide an und erreicht ein Maximum bei 85 Grad Celsius. Diese sogenannten Endosporen sind Zellen bestimmter Bakterienarten, die wieder reaktiviert und in den lebendigen Modus wechseln können, sobald es die Umstände zulassen. „Einige Spezialisten können sich an schwierige Bedingungen anpassen und sind in der Lage, über geologische Zeiträume in einer Art Tiefschlaf zu verharren“, sagt Inagaki.

Co-Autorin Verena Heuer vom MARUM sagt abschließend zu den Ergebnissen: „Sie zeigen, dass am unteren Rand der Biosphäre tödliche Grenzen und Überlebenschancen dicht beieinander liegen. Das hatten wir so nicht erwartet“, betont die Wissenschaftlerin. Indes bleiben die Tiefen unter dem Meeresboden weiterhin geheimnisvoll, denn nach wie vor handelt es sich bei den Einblicken um Stichproben aus speziellen Bereichen. Doch das Forschungsfeld wird sich weiterentwickeln: „Jede Bohrung öffnet ein Fenster zu neuen Erkenntnissen“, sagt Heuer. „Mit jeder Expedition werden technische und analytische Methoden weiterentwickelt, jedes Mal kommen Menschen mit vielfältigen Erfahrungen und neuen Ideen zusammen, um gemeinsam eine wissenschaftliche Frage zu beantworten. Und das macht die Faszination aus“, so die Wissenschaftlerin.

Quelle: MARUM, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abd7934

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