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Das Leben der anderen

Die Erdkruste ist ein dicht bevölkerter Lebensraum. Doch wie gelangten die winzigen Einzeller in die Tiefe? Wovon ernähren sie sich? Und vor allem: Wer sind sie überhaupt?

Nirgendwo können Menschen tiefer in die Eingeweide ihres Planeten vordringen als in der Tautona-Mine in Südafrika. Bis zu 3800 Meter unter der Erdoberfläche wird dort, 80 Kilometer westlich von Johannesburg, nach Gold geschürft. In den tiefsten Sohlen herrschen schweißtreibende 55 Grad Celsius und 100 Prozent Luftfeuchtigkeit. Für Menschen wird dieses Dampfbad erst mit technisch aufwendiger Bewetterung annehmbar – manchen Mikroorganismen behagt es hier dagegen sehr. „Sobald ein neuer Tunnel gebohrt wird, bildet sich an den Wänden schnell ein glitschiger Schleim in den aberwitzigsten Farben“, berichtet die Physikerin Johanna Lippmann-Pipke vom Institut für Interdisziplinäre Isotopenforschung an der Universität Leipzig. Mikroben, die durch den Bergbau in die Tiefe gelangt sind, bilden in der schwül-warmen Umgebung dicke Biofilme.

Lippmann-Pipke interessiert sich allerdings nicht für die Neuankömmlinge, sondern für die alteingesessene Bevölkerung des Berges und deren Lebensbedingungen. So unvorstellbar es klingt: In den Klüften und Spalten des mehr als zwei Milliarden Jahre alten Gesteins tummeln sich vielerlei Mikroben.

Diesen Wesen ist die Forscherin zusammen mit Kollegen vom Geoforschungszentrum Potsdam, aus den USA und Südafrika auf der Spur: In 3,6 Kilometer Tiefe errichtete das Team ein Felslabor, um die Mikroorganismen und ihre Aktivitäten in ihrem natürlichen Lebensraum zu erforschen. In der benachbarten Mponeng-Mine wurden die Forscher bereits fündig: Sie meldeten im vergangenen Oktober, dass sie stäbchenförmige Keime im salzigen, gut 60 Grad Celsius heißen Grundwasser entdeckt hätten, das in 2800 Meter Tiefe aus dem Fels quoll. Das Wasser, so zeigten Messungen von Lippmann-Pipke, hat wahrscheinlich seit mehr als 20 Millionen Jahren keinen Kontakt mehr zur Erdoberfläche gehabt. Die Einzeller darin sind die wohl genügsamsten Bakterien der Welt: „ Zum Überleben brauchen sie bloß Wasser, Gestein und radioaktive Strahlung“, sagt der Geowissenschaftler Tullis Onstott von der Princeton University.

Als Energiequelle nutzen die Mikroben Wasserstoff. Das Gas entsteht, wenn natürlich vorkommende radioaktive Stoffe im Gestein wie Uran, Kalium oder Thorium zerfallen. Die Strahlung zerlegt Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff. Durch chemische Reaktionen zwischen dem Sauerstoff und schwefelhaltigem Gestein entsteht zudem Sulfat (SO42-), das die winzigen Bewohner der Goldmine zum Atmen nutzen. Was die Mikroben zum Leben brauchen, stellt also die Erde selbst bereit. Von Sonnenenergie und Photosynthese sind sie vollkommen unabhängig. „Die Strahlung ist eine unerschöpfliche Energiequelle“, sagt Onstott.

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Freilich läuft das Leben in der Unterwelt extrem langsam ab: Die Mikroben, die Gen-Analysen zufolge entfernt mit Bewohnern von heißen Tiefseequellen verwandt sind, haben erst nach 4 bis 30 Jahrzehnten genug Energie zusammen, um sich zu teilen.

Die Besiedlung der südafrikanischen Minen mag wundersam erscheinen, doch eine Ausnahme ist sie nicht. Zahlreiche Untersuchungen aus den letzten Jahren zeigen, dass Millionen und Abermillionen zäher Mikroben die obersten Kilometer der gesamten Erdkruste bewohnen. Schätzungen zufolge könnte diese „tiefe Biosphäre“ sogar die Mehrheit aller Prokaryonten – der Einzeller ohne Zellkern – auf der Erde darstellen. „Es erstaunt schon, dass die tiefe Biosphäre kein exotischer Lebensraum ist, sondern einen großen Teil des Lebens auf der Erde beherbergt“, sagt Bo Barker Jørgensen, Direktor des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen.

Die Menge an Kohlenstoff, die die Mikroben speichern, wird auf 10 bis 30 Prozent der gesamten Biomasse der Erde veranschlagt. Sie sind überall: Mikroben zersetzen tote Biomasse in den Sedimenten, die sich am Meeresboden ablagern, sie lösen Eisen aus dem darunter liegenden Basaltgestein heraus, und sie nehmen Kohlenwasserstoffe in Erdölfeldern auf. Im harten Granit begnügen sie sich mit Wasserstoff. In Salzstöcken können sie als Sporen sogar Hunderte von Jahrmillionen überdauern.

Begrenzt wird die Ausdehnung der tiefen Biosphäre lediglich durch die Temperatur: 113 Grad Celsius gelten derzeit als die größtmögliche Hitze, die besonders widerstandsfähige Keime aushalten. Je nachdem, wie gut die Kruste die Wärme aus dem Erdinneren nach oben ableitet, kann diese Temperatur in drei oder auch erst in zehn Kilometer Tiefe erreicht werden. Der hohe Druck unter der Erde macht dem mikrobiellen Leben dagegen nichts aus.

Inzwischen ist klar, dass sich die Geologie der Erdkruste ohne Mikrobiologie nicht verstehen lässt. Viele Verwitterungsprozesse, die bislang als rein chemisch-physikalische Vorgänge galten, werden in Wirklichkeit durch biochemische Prozesse gesteuert – zum Beispiel die langsame Umwandlung der ozeanischen Basaltkruste in Tonminerale.

„Die Mikroben arbeiten zwar langsam, aber über geologische Zeiträume gesehen haben sie einen großen Einfluss auf die Stoffkreisläufe der Erde“, sagt Bo Barker Jørgensen. Ein Beispiel dafür ist das eisförmige Methanhydrat, das große Teile des Meeresbodens durchsetzt – ein Verdauungsprodukt von tief im Meeresboden lebenden Mikroben.

Im internationalen Ozeanbohrprogramm IODP, das 2003 die Nachfolge des Ocean Drilling Programs ODP angetreten hat, ist die Erforschung der tiefen Biosphäre im Meeresboden eines von drei Hauptzielen – mit dem Hintergedanken, dass die dabei entdeckten Organismen für die Biotechnologie, die Sanierung von verseuchten Böden, den Bergbau oder die Erdölförderung nützlich sein könnten.

2002 stand eine Expedition des Bohrschiffs JOIDES Resolution in den östlichen tropischen Pazifik erstmals ganz im Zeichen der Mikrobiologie. Das Ergebnis: Selbst die ältesten Gesteine, 35 Millionen Jahre alte und 400 Meter tief gelegene Sedimente, wimmeln von Leben. Die Forscher fanden zwischen einigen Tausend und zehn Milliarden Zellen pro Kubikzentimeter Meeresboden. „Die Bevölkerungsdichte ist das größte Rätsel der tiefen Biosphäre“, kommentierten Jørgensen und sein Kollege Steven D’Hondt von der University of Rhode Island die Ergebnisse kürzlich in der Zeitschrift Science.

Das Nahrungsangebot im Meeresboden ist zwar reichhaltiger als in den südafrikanischen Goldminen. Der Schlamm, der sich Jahr für Jahr am Grund der Ozeane ablagert, enthält Nährstoffe und die zersetzten Reste toter Meereslebewesen. Doch Jørgensen und D’H ondt errechneten, dass sich die Mikroben im Meeresboden theoretisch nur alle tausend Jahre teilen dürften. „Bisher können wir nicht erklären, wie die Mikroorganismen mit so wenig Nahrung auskommen“, sagt der Forscher. Denn jede Zelle benötigt ein Mindestmaß an Energie, um zerfallene Enzyme zu reparieren oder das chemische Gefälle zwischen dem Zellinneren und der Umgebung aufrechtzuerhalten. Jørgensen vermutet, dass Wasserstoff eine wichtige zusätzliche Nahrungsquelle ist.

Auch auf den Kontinenten, wo Granit das vorherrschende Gestein ist, wird die tiefe Biosphäre wohl zu einem großen Teil von Wasserstoff unterhalten. Karsten Pedersen von der Universität Göteborg hat in einem Bergwerk in Schweden drei Gruppen von Mikroben identifiziert, die im Granit eine unterirdische Wasserstoff-Wirtschaft betreiben: Die einen stellen aus Wasserstoff und Kohlendioxid Acetat her, das Salz der Essigsäure (CH3COO-), die zweite Gruppe setzt Acetat zu Methan um, und die dritte Gruppe synthetisiert Methan direkt aus Kohlendioxid und Wasserstoff.

Radioaktiver Zerfall ist nicht die einzige Quelle für das Gas: Es sind noch fünf weitere geologische Prozesse bekannt, bei denen Wasserstoff entstehen kann. Zum Beispiel bildet er sich beim Kontakt des Erdmantelgesteins Peridotit mit Meereswasser. Und an den frischen, chemisch reaktionsfreudigen Gesteinsoberflächen, die beim Zerreißen des Gesteins durch Erdbeben entstanden sind, werden Wasser-Moleküle gespalten.

Einiges deutet darauf hin, dass geologische Störungszonen Hochburgen der tiefen Biosphäre sein könnten. In Zeiten, in denen die Erde unruhig ist, gibt es dort vermutlich viel mehr Nahrung als anderswo. Die Leipziger Forscherin Johanna Lippmann-Pipke testet diese Hypothese derzeit zusammen mit ihren Kollegen in der Tautona-Mine. Die Forscher setzten fünf jeweils 40 Meter lange Bohrlöcher direkt in eine uralte Bruchzone, die durch den Bergbau wieder aktiviert wurde. Eins der Löcher haben Mikrobiologen mit sterilem Wasser gefüllt, in einem zweiten misst Lippmann-Pipke die Konzentration verschiedener mikrobieller Stoffwechselprodukte, in einem dritten stecken besonders empfindliche Seismometer. Nun warten die Forscher darauf, dass der Berg erzittert – und hoffen, dass die Mikroben dabei aus einem womöglich viele Jahrzehnte dauernden Schlaf erwachen.

Belege für die Hypothese, dass Erdbeben die tiefe Biosphäre erstarken lassen, lieferte eine Serie schwacher Erdstöße im Vogtland. Nach diesen „Schwarmbeben“ im Herbst 2000 stieg der Anteil von Methan in einer Mineralquelle im sächsischen Kurort Bad Brambach plötzlich auf das Achtfache des ursprünglichen Werts an. Forscher um Karin Bräuer vom Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle nehmen an, dass im Granitgestein, aus dem die Quelle entspringt, winzige Methan-Produzenten leben. Der Granit enthält Uran, durch dessen Zerfall Wasserstoff entsteht. Das Gas ist aber wohl normalerweise für die Mikroben nicht erreichbar, da es in Klüften und Spalten gefangen ist. Bräuer und ihre Kollegen vermuten nun, dass die Erdbeben den Wasserstoff freisetzten. Für die unterirdischen Mikroben war das ein Festmahl: Sie verstärkten ihre Aktivität plötzlich um ein Vielfaches.

Durch die Analyse der mikrobiellen Verdauungsprodukte wissen die Forscher, welche Stoffwechselprozesse in der Erde stattfinden. Der Meeresboden etwa, so zeigen die Ergebnisse der Bohrexpedition, beherbergt eine vielseitige Gemeinschaft aus Bakterien und Archäen. Archäen, früher Archaebakterien genannt, unterscheiden sich von den gewöhnlichen Bakterien durch den Aufbau ihrer Zellmembran. Sie fühlen sich vor allem in extremen Umgebungen wie heißen Quellen, Salzseen oder fauligen Sümpfen wohl. Alle Methan-Bildner zählen zu den Archäen.

Im Meeresboden gehören die Methan-Produzenten zu den genügsamsten Mikroben. Sie konkurrieren mit Organismen, die statt Sauerstoff Nitrat, Sulfat, Eisen oder Mangan zum Atmen nutzen. Einige Einzeller oxidieren organischen Kohlenstoff, andere stellen Ammoniak oder höhere Kohlenwasserstoffe her, wieder andere konsumieren diese Stoffe. „Besonders wichtige Prozesse sind die Sulfat-Atmung und die Methan-Bildung“, sagt Bo Barker Jørgensen. In Schichten des Meeresbodens, wo durch Sulfat-Atmung Methan wieder zu Kohlendioxid abgebaut wird, gedeiht das Leben besonders üppig.

Die Wesen, die den Untergrund bevölkern, sind den Mikrobiologen aber dennoch weitgehend fremd. „Bislang kennen wir nur ihre Gene“, sagt Bo Barker Jørgensen. Häufig ähnelt das Erbmaterial der Tiefenbewohner nur entfernt dem bekannter Mikroben. Womöglich wachsen im Untergrund also viele noch völlig unbekannte Stämme und Ordnungen. Nur ein kleiner Bruchteil von ihnen lässt sich im Labor kultivieren – mit äußerster Geduld, wie Bert Engelen von der Universität Oldenburg feststellen musste.

„Viele Kollegen werfen Proben weg, bei denen nach zwei Wochen nichts wächst“, berichtet der Forscher. Doch das reicht bei den Kulturen aus der tiefen Biosphäre nicht: „Ein halbes Jahr muss man ihnen schon Zeit lassen“, sagt Engelen. Zudem dürfen die Mikroben aus der Tiefe nicht überfüttert werden, damit sie sich an ihr neues Leben im Reagenzglas gewöhnen können. Engelen verwendet daher Nährlösungen, aus denen die Nährstoffe nur ganz langsam freigesetzt werden. Der Lohn der Mühe sind stecknadelkopfgroße, weiße oder schwarze Kügelchen – Kolonien aus einigen Millionen gleichartige Zellen, die im Brutschrank des Oldenburger Instituts für Chemie und Biologie des Meeres heranwachsen und mit denen Engelen jetzt experimentieren kann. Er will ihre Fähigkeiten erforschen, um herauszubekommen, wie es die Mikroorganismen fertigbringen, sich an ihren exotischen Lebensraum anzupassen.

Vielleicht lösen er und seine Kollegen mithilfe der Hungerkünstler aus der Tiefe auch das Rätsel, wie mikrobielle Organismen auf dem Mars oder dem Jupiter-Mond Europa überleben könnten. Tullis Onstott: „Die Wesen in der Tautona-Mine zeigen uns, dass Leben selbst auf einem Planeten überdauern könnte, dessen Oberfläche seit Langem tot ist.“ ■

UTE KEHSE, Geophysikerin und freie Wissenschafts- journalistin, ist beeindruckt davon, dass Erdbeben Mikroben gedeihen lassen.

Ute Kehse

Ohne Titel

Da sich nur ein Bruchteil der geschätzten 250 Millionen Arten von Mikroben auf der Erde kultivieren lässt, untersuchen Mikrobiologen vor allem das Erbgut dieser Einzeller. Ihr wichtigstes Werkzeug ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), mit der sich gewünschte Abschnitte des Erbguts millionenfach vervielfältigen lassen.

Als Marker dient dabei häufig ein Gen namens 16S rDNA. Es besteht aus 1500 Basenpaaren und enthält die Information für den Aufbau der Ribosomen, an denen die Synthese der Proteine in der Zelle stattfindet. Anhand der Gen- Sequenz können die Forscher das Gen-Material aus ihren Proben bestimmten Mikrobenstämmen zuordnen. Allerdings verrät das Gen nichts über den Stoffwechsel. Dazu müssen andere Gene untersucht werden, die zum Beispiel Enzyme für die Methan-Herstellung kodieren. Doch da Proben meist ein Gemisch unterschiedlichster Mikroben beherbergen, lässt sich oft nicht feststellen, welcher Stoffwechsel zu welcher Art gehört.

Abhilfe schafft ein am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie entwickeltes Verfahren namens Card-Fish (CAtalysed Reporter Deposition-Fluorescence In Situ Hybridization). Mit ihm lassen sich verschiedene Arten von Mikroorganismen unterscheiden: Charakteristische Gen-Abschnitte werden gezielt mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert, sodass die Mikroben unter dem Mikroskop einzeln gezählt werden können.

Auch mithilfe von Biomarkern in den Zellmembranen, zum Beispiel intakten Phospholipiden, können Forscher einzelne Organismen unterscheiden. Doch da diese Stoffe nach dem Tod einer Zelle schnell zerfallen, lassen sich durch ihren Nachweis zwar lebende Mikroben bestimmen, aber keine toten.

Ohne Titel

· Die meisten Einzeller ohne Zellkern leben wahrscheinlich tief im Inneren der Erde.

· Die Erdkruste beherbergt unterschiedlichste Organismen, die alle extrem langsam wachsen.

· Leben ist überall möglich, wo es Wasser gibt und die Temperaturen unter 113 Grad Celsius liegen.

· Eine der wichtigsten Energiequellen der tiefen Biosphäre ist Wasserstoff.

COMMUNITY Lesen

Die Welt der Mikororganismen:

Heribert Cypionka

Grundlagen der Mikrobiologie Springer, Berlin 2005, € 24,95

Internet

Mikroorganismen in der Erdkruste:

www.icbm.de/pmbio/download/ biospektrum-03.pdf

www.iodp.org/index.php?option=com_ docman&task=doc_download&gid=1268

www.whoi.edu/cms/files/dfino/2005/ 4/v42n2-wirsen_2282.pdf

www.gmm.gu.se/groups/pedersen/ popDetail.php?ID=8

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