06. Apr. 2017

Südafrikanische Goldmine, aus der die Forscher Wasserproben bezogen.

"Geteiltes Leid ist halbes Leid": Nach diesem Motto scheinen auch Mikroben der Tiefen Biosphäre ihr hartes Los anzugehen. Geomikrobiologen der US-Universität Princeton berichten von engen Lebensgemeinschaften, die die schmale Lebensgrundlage in tiefen Gesteinsschichten wesentlich verbreitern. Die Erkenntnisse wurden nun in den Abhandlungen der US-Akademie der Wissenschaften veröffentlicht.

"Mikroben in der Tiefen Biosphäre produzieren die Nahrungsgrundlage für den jeweiligen Partner und müssen daher nicht umherziehen und nach Nahrung suchen", erklärt die Biologin Maggie Lau das Konzept auf der 3. Internationalen Tagung des Deep Carbon Observatorys an der University of St. Andrews in Schottland. Durch diese "Produktionsgenossenschaften" entstehe in dem Ökosystem, das Lau und ihre Kollegen erforschen, eine "umgekehrte Nahrungspyramide", schreibt die Gruppe in ihrem wissenschaftlichen Bericht.

In einer solchen Konstellation schlägt die Mikrobengemeinschaft den Gesetzen der Biologie scheinbar ein Schnippchen, weil es viel mehr Verbraucher gibt als Produzenten. In herkömmlichen Ökosystemen nimmt die Zahl der Lebewesen und ihre Biomasse von einer Stufe der Nahrungspyramide zur nächsthöheren ab. Eine Faustregel besagt, dass weniger als zehn Prozent der Energie, die in der verfügbaren Biomasse gespeichert ist, in neue Biomasse umgewandelt wird, der Rest geht verloren. In Laus unterirdischem Ökosystem gibt es dagegen viel weniger Primärproduzenten, die die chemische Energie des Umgebungsgesteins nutzen, als Einzeller, die sich von den Stoffwechselprodukten anderer Mikroben ernähren. Der Trick scheint darin zu bestehen, dass die aufeinander eingespielten Lebensgemeinschaften die zur Verfügung stehenden Energiequellen optimal ausnutzen.

Ein Mikrobiologe bei der Probennahme im Bergwerk.
Bild: Univ. of Toronto/K. Voglesanger

Die Princeton-Gruppe, zu der Maggie Lau gehört, ist häufiger Gast in einer südafrikanischen Goldmine, deren Schächte bis in knapp 1500 Meter Tiefe hinabreichen. Einer der tiefsten Stollen ist inzwischen stillgelegt und wird von den Wissenschaftlern um den Geomikrobiologie-Pionier Tullis Onstott als Zugang zur Tiefen Biosphäre genutzt. Dort zapfen die Wissenschaftler Gas- und vor allem Wasserproben. Letztere werden schon vor Ort mikrofiltriert, um möglichst viele der begehrten Einzeller nach oben zu schaffen zu können. "Die Arbeitsbedingungen dort unten sind hart und wir müssen unsere Ausrüstung im Rucksack schleppen", meint Onstott, "da müssen wir sehr ökonomisch mit dem Gewicht umgehen." Viele Hundert Liter Wasser müssen die Wissenschaftler filtrieren, um die gewünschten Proben für ihre Untersuchungen zu bekommen, denn die Bevölkerungsdichte in dem unterirdischen Ökosystem ist extrem gering. "Wir finden zwischen 100 und 1000 Zellen pro Milliliter, in Ausnahmefällen auch 10.000 Zellen", sagt Maggie Lau. Zum Vergleich: In einem durchschnittlichen Gramm Erdboden leben Milliarden von Bakterien.

Die Mikrobiologen bleiben inzwischen nicht mehr bei einer Volkszählung stehen, sondern interessieren sich für die Beziehungen zwischen den Mitgliedern der fremdartigen Lebensgemeinschaft. "Die Frage ist, wie aktiv diese Mikrobengemeinschaften sind", so Lau. Dazu analysieren die Wissenschaftler nicht nur das klassische Erbmaterial, in dem die genetischen Informationen der Mikroben gespeichert sind, sondern auch eine weitere Klasse von Erbgut sowie die vorhandenen Proteine, die beide die Zellaktivität widerspiegeln. So kommt zu der Information, wer überhaupt in dem rund 1,3 Kilometer tiefen Gestein anwesend ist, die Information, wer wie aktiv ist – und damit ein Anhaltspunkt über die Stärke der jeweiligen Einzellergruppen.

Und bei dieser Bestandsaufnahme, oder wie Maggie Lau sagt, metabolischen Landschaft, stellt sich eben heraus, dass die Bakterien und wenigen Archäen, die sich dort unten aufhalten, durchaus erfinderisch mit dem Nährstoffmangel umgehen und Partnerschaften pflegen, um ihre Nahrungsgrundlage zu verbreitern. "Wir sehen, dass es mehrere dominante Stoffwechselwege gibt. Allen voran gibt es methanbildende Organismen, doch daneben finden wir Mikroben, die ihre Energie aus Schwefel- oder Stickstoffverbindungen ziehen", erläutert Lau.

In den Partnerschaften tun sich offenbar stets stärkere, also häufiger auftretende Einzeller mit schwächeren, selteneren Mikroben zusammen. Dass die selteneren davon profitieren liegt auf der Hand: Der Zusammenschluss schützt sie schlicht davor verdrängt zu werden. Doch auch die Stärkeren gewinnen. "Sie müssen nicht in immer neuen Nischen nach ihrer Lebensgrundlage suchen, denn der schwächere Partner stellt die Nahrung für sie her", betont Lau. Die Konstellation nützt dem gesamten Ökosystem, denn sie erhält die Vielfalt und stärkt dadurch die Stabilität der Gemeinschaft.