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Genügsame Einsiedler

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 02.08.2011 09:55

1,3 Kilometer tief, über 40 Grad heiß und nur mit sehr wenig Sauerstoff - der Lebensraum von Halicephalobus mephisto ist nicht gerade paradiesisch. Denn H. mephisto ist ein Wurm, zwar nicht mehr als einen halben Millimeter lang, aber dennoch ein Verwandter von Halicephalobus-Nematoden, die unseren Boden bewohnen und als Parasiten von Weidetieren bekannt sind. H. mephisto dagegen lebt tief im Gestein der Beatrix Goldmine im südafrikanischen Free State, rund 100 Kilometer nördlich von Bloemfontein auf Sparflamme und ernährt sich genügsam von den Bakterien, die in dieser Tiefe hausen.

Halicephalobus mephistoAn der Erdoberfläche wäre der Wurm ein Winzling unter vielen, doch in der Tiefen Biosphäre ist er das bislang größte Lebewesen, das wir kennen. "Das ist etwa so, als ob wir Moby Dick im Ontario-See gefunden hätten", verdeutlicht Tullis Onstott, Geomikrobiologe an der Universität Princeton und einer der Entdecker des Wurms. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass noch viele Überraschungen in der Tiefen Biosphäre warten. Alles andere wäre sogar erstaunlich, denn dieses vermutlich größte, auf jeden Fall aber rätselhafteste Ökosystem unseres Planeten ist nahezu unerforscht.

Die bislang tiefste Lebensgemeinschaft hat man in drei Kilometern Tiefe in südafrikanischen Goldminen gefunden, "wir glauben allerdings", so Onstott, der auch an dieser Entdeckung beteiligt war, "dass sie bis in eine Tiefe von fünf Kilometern leben". Die Einzeller - Bakterien und Archäen - fand man auch unter kilometerdickem Gletschereis, unterhalb des sibirischen Permafrosts und natürlich auch tief im Sediment der Ozeane begraben. Irgendwo in größerer Tiefe muss dann allerdings die Grenze der Biosphäre kommen, weil irgendwann einmal die Temperatur zu hoch steigt. "Die Temperaturobergrenze, die Leben noch ertragen kann, kennt man nicht wirklich scharf", erklärt Heribert Cypionka von der Universität Oldenburg, auch er ein Spezialist für die Tiefe Biosphäre. In einem chinesischen Bohrloch hat man Einzeller bei Umgebungstemperaturen von 120 Grad gefunden. "Kultivieren kann man bis zu diesen Temperaturen", erklärt der Oldenburger Mikrobiologe, "aber wo genau die Grenze liegt, weiß man nicht."


Johanna Lippmann-Pipke untertageIn uralten Kontinentkeimen wie dem südafrikanischen Kapvaal-Kraton und unter dem Meer reicht die Zone mit lebensfreundlichen Temperaturen tiefer hinab als anderswo. In den südafrikanischen Minen steigt die Temperatur nur um rund zehn Grad pro Kilometer an, während man im globalen Mittel von rund 20 Grad pro Kilometer ausgeht. Entsprechend variabel ist die bewohnbare Zone der Erdkruste. Über die Einwohnerzahl dieser Zone gibt es nur vage Schätzungen, "aber wenn man hochrechnet, wie viel Biomasse darin steckt", so Heribert Cypionka, "dann kommt man auf 10 bis 30 Prozent der gesamten lebenden Biomasse auf unserer Erde".

Noch vager sind die Vorstellungen davon, wie dieses Ökosystem aussieht. "Es gibt erst ganz wenige Daten dazu", erklärt Cypionka, "das sind wirklich Nadelstiche in unserem Planeten hinein." Niemand erwartet, in der gesamten Zone eine einheitliche Lebensgemeinschaft zu finden, daher kann man von der Handvoll Bohrkernen oder den Untersuchungen in Bergwerken wie den südafrikanischen keine allgemeinen Schlüsse ziehen. Immerhin kommen immer mehr Befunde aus unterschiedlichen Zonen hinzu. Zu den neuesten gehören Bohrkerne, die die Expedition 329 des Internationalen Meeres-Tiefbohrprogramms IODP Ende 2010 im südpazifischen Wirbel genommen hat. "Es handelt sich dabei um eine so genannte ozeane Wüste", erklärt Expeditionsteilnehmer Jens Kallmeyer von der Universität Potsdam, "wir sind am weitesten entfernt von allen Kontinenten, wie wir überhaupt auf dem Planeten Erde kommen können."

Open Pit im WitwatersrandIn dieser Zone zwischen Südamerika und Australien lebt extrem wenig, doch gehören schätzungsweise 30 bis 40 Prozent der Weltmeere in diese Kategorie. "Es ist dort äußerst nährstoffarm, weil, es keinen Eintrag durch Flüsse oder durch Flugstaub mehr gibt", sagt der Mikrobiologe, der am Institut für Geowissenschaften in Potsdam eine Nachwuchsgruppe leitet. Das führt dazu, dass sich kaum Sediment bilden kann. In der Mitte des Wirbels bedecken gerade einmal zehn bis 20 Meter das Basaltgestein der ozeanischen Platte. "Hier haben wir Sedimentationsrate, die im Bereich von einem Meter pro 10 Millionen Jahre liegen", sagt Kallmeyer, und deshalb ist nicht nur im Wasser kaum etwas zu beißen, sondern auch im Meeresboden. "In diesem Sediment gibt es so gut wie keinen organischen Kohlenstoff", betont er, "in einem Küstensediment hat man so im Bereich zwischen drei und teilweise 15 Prozent organischen Kohlenstoff. Wir haben hier organischen Kohlenstoff unter 0,05 Prozent, oder 0,01 Prozent." 


Ohne organisches Material fehlt aber die Nahrungsgrundlage einer Lebensgemeinschaft. Und trotzdem gibt es dort Bakterien oder Archäen. Statt der in nährstoffreichen Sedimenten üblichen zwei oder dreistelligen Millionenzahlen an Zellen pro Kubikzentimeter, gibt es im Sediment des südpazifischen Wirbels nur 10.000, 1000 oder hin und wieder sogar nur 500 Mikroben pro Kubikzentimeter, "aber", sagt Jens Kallmeyer, "diese Zellen leben dort und sie sind aktiv". Ihre Energie gewinnen diese genügsamen Einsiedler aus Wasserstoff, der freigesetzt wird, wenn radioaktive Isotope im Meeresboden Wassermoleküle aufspalten. Indem die Mikroben die zuvor aufgespaltenen Wasser-Bruchstücke wieder zusammenfügen, gewinnen sie Energie für ihren eigenen Stoffwechsel. "Die Energiemenge, die maximal gewonnen werden kann, ist allerdings sehr gering", berichtet der Potsdamer Forscher, "wir können ungefähr um die 1000 Zellen dort damit versorgen."

Ob diese Bakterien besonders energiesparende Modelle sind, müssen erst die kommenden Untersuchungen zeigen. Zumindest ist klar, dass den Bakterien im Tiefseesediment auch Plagegeister gefolgt sind, die die Einzeller wohl schon seit Anbeginn des Lebens gepiesackt haben. In den Sedimenten hat man auch Viren gefunden. "An der Oberfläche gibt es etwa drei bis zehnmal mehr Viren als Bakterien", erzählt Tim Engelhard, Doktorand bei Heribert Cypionka in Oldenburg und ebenfalls Teilnehmer der IODP-Expedition in den südpazifischen Wirbel, "dieses Verhältnis verändert sich aber mit der Tiefe, so dass ganz unten etwa 20 Viren auf ein Bakterium kommen." Der Grund für den unterschiedlichen Gradienten bei Bakterien und bei Viren ist noch unbekannt. Auch wie Viren die Zeit ohne bakteriellen Wirt überstehen, die bei den winzigen Populationen dort unten wesentlich länger dauern dürfte als in höheren Regionen der Biosphäre, ist ungeklärt. Und wie ein Virus sein bakterielles Opfer dazu veranlassen kann, bei extremem Nahrungsmangel seinen Zellapparat anzuwerfen, um Virenpartikel zu produzieren, ist auch ein noch ungelöstes Rätsel.
Dass es geht, haben Engelhard und Cypionka in Oldenburg bereits bewiesen. Sie lösten in Kulturen von Tiefseesedimentbakterien die Lysis aus, also die Freisetzung der nächsten Virengeneration bei gleichzeitigem Tod des bakteriellen Wirts.

Bei den Bewohnern der Tiefen Biosphäre müssen die Mikrobiologen einen extrem langen Atem haben. Heribert Cypionka hat acht Jahre warten müssen, um in Bakterienkulturen aus nährstoffreichem Tiefseeboden vor Peru Wachstum erkennen zu können. "Es gibt ein auf chemischen Gradienten beruhendes Modell von John Parks, der sagt, dass diese Organismen sich nur alle 10.000 Jahre einmal teilen", meint Jens Kallmeyer grinsend, "das sprengt dann den Rahmen einer Doktorarbeit, würde ich mal sagen."

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