31. Mai. 2019
Das japanische Tiefseebohrschiff Chikyu.

Das japanische Tiefseebohrschiff Chikyu.

2016 fuhr das japanische Bohrschiff Chikyu in den Nankai-Trog vor Südjapan, wo die Philippinische Platte unter der Eurasischen Kontinentalplatte absinkt. Ziel der vom Internationalen Meerestiefbohrprogramm IODP finanzierten Fahrt war die Untergrenze der Biosphäre zu erbohren. Das geht dort sehr gut, weil sie sich nur in rund 1200 Metern unter dem Meeresboden befindet. Auf dem Tiefbohrkolloquium der Deutschen Forschungsgemeinschaft berichteten Geomikrobiologen aus Potsdam über die ersten Lebenszeichen aus 1200 Meter tiefen, bis zu 120 Grad Celsius heißen Sedimenten.

120 Kilometer südlich von Kap Muroto, der südlichsten Spitze der südjapanischen Insel Shikoku, reicht die Biosphäre, also die belebte Zone der Erde, genau 1180 Meter in die Erdkruste hinein. So tief bohrte das japanische Bohrschiff Chikyu im Herbst 2016 in den Untergrund des dort knapp 4800 Meter tiefen Nankai-Troges. Ziel der Expedition 370 im Rahmen des Internationalen Meerestiefbohrprogramms IODP war die Grenze des Lebens zu erreichen, und das scheint dem internationalen Bohrteam unter deutsch-japanischer Leitung auch gelungen zu sein. „Wir konnten sehen, dass es mikrobielle Aktivität bis ganz nach unten, bis in die tiefsten Tiefen, die wir erbohrt haben, gibt“, erklärte Jens Kallmeyer, Wissenschaftler in der Sektion Geomikrobiologie am Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam (GFZ).

An den schwarzen Rauchern der Tiefsee fand man bislang die hitzetolerantesten Einzeller, jetzt auch tief in der Erdkruste vor Japan.

An den schwarzen Rauchern der Tiefsee fand man bislang die hitzetolerantesten Einzeller, jetzt auch tief in der Erdkruste vor Japan.

Bild: Index2013/ROV Kiel 6000
Rund 120 Kilometer vor Shikoku bohrte die Chikyu 2016 für die IODP-Expedition 370 in den Untergrund des Nankai-Troges.

Rund 120 Kilometer vor Shikoku bohrte die Chikyu 2016 für die IODP-Expedition 370 in den Untergrund des Nankai-Troges.

Bild: IODP Expedition 370
Das japanische Bohrschiff Chikyu in gleißender Sonne.

Das japanische Bohrschiff Chikyu in gleißender Sonne.

Bild: IODP/Jamstec
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An den schwarzen Rauchern der Tiefsee fand man bislang die hitzetolerantesten Einzeller, jetzt auch tief in der Erdkruste vor Japan.

Bild: Index2013/ROV Kiel 6000

Rund 120 Kilometer vor Shikoku bohrte die Chikyu 2016 für die IODP-Expedition 370 in den Untergrund des Nankai-Troges.

Bild: IODP Expedition 370

Das japanische Bohrschiff Chikyu in gleißender Sonne.

Bild: IODP/Jamstec

In 1200 Metern Tiefe herrschen im dortigen Meeresboden Temperaturen um die 110 bis 120 Grad Celsius. „Wir sind knapp unter dem absoluten Limit, wo Leben auf der Erde bekannt ist“, so Kallmeyer auf dem Tiefbohrkolloquium der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Köln. Sein Doktorand Florian Schubert hat für seine Dissertation Proben aus dem kompletten Bohrkern erhalten und auf die Anwesenheit von Mikroben untersucht, die Sulfat zur Energiegewinnung einsetzen. Dazu flutete er die Proben geradezu mit radioaktivem Schwefel markiertem Sulfat und suchte später nach den strahlenden Stoffwechselprodukten der Organismen. Tatsächlich fand er in jedem Abschnitt des rund 1000 Meter langen Bohrkerns Hinweise auf mikrobielle Aktivität. „Am Anfang hatten wir etwas höhere Aktivität beziehungsweise ein höheres Signal, doch je tiefer man geht, desto geringer wird das Signal“, so Schubert in Köln. Das bedeutet, dass in der Erdkruste vor Shikoku Mikroorganismen jeglicher Hitzetoleranz leben, bis hin zu den sogenannten Extremophilen, die es ganz besonders heiß mögen und die Schubert ganz unten im Kern gefunden hat.

Identität der Bewohner an der Grenze des Lebens wird noch geklärt

Um welche Bakterien oder Archäen es sich genau handelt, ist derzeit noch unklar, denn die genetischen Studien dauern noch an. „Diese Sedimente dort unten enthalten so derartig wenig Mikroorganismen, dass es wahnsinnig schwierig ist genügend DNA daraus zu extrahieren, um genetische Analysen davon zu machen“, verdeutlicht Jens Kallmeyer. Wie gering die Zellzahlen in den Proben aus den untersten Kernabschnitten sind, wissen Kallmeyer und Schubert selbst zu genüge. Ihre Nachweismethode für Sulfatreduzierer beruht darauf, die Zerfälle des radioaktiven Schwefels in den Stoffwechselprodukten zu zählen und so auf die Bakterien zu schließen. Das Messgerät misst die Zahl der zerfallenden Atome pro Sekunde in der international üblichen Einheit Becquerel. Schubert hat es in seinen Experimenten geschafft, Sulfatlösungen mit sieben Millionen Atomzerfällen pro Sekunde einzusetzen. Das Messgerät ist dagegen empfindlich genug, 25 Zerfälle pro Minute zu messen, also grob einen alle zwei Sekunden. „Wir haben häufig genug Proben, bei denen das noch nicht empfindlich genug ist, bei denen wir zwar sieben Millionen Zerfälle pro Sekunde zugeben, aber nicht einmal einen halben pro Sekunde herausbekommen“, so Kallmeyer.

Dass bei diesen Temperaturen und in diesen Tiefen überhaupt noch Organismen aktiv sind, hat den Experten für die Tiefe Biosphäre sehr erstaunt. Zwar gibt es an den sogenannten Schwarzen Rauchern etliche Einzeller, die Temperaturen um 120 Grad oder etwas darüber ertragen, doch „da“, so Kallmeyer, „ist eine unglaubliche Menge an chemischer Energie vorhanden, die diese Organismen nutzen können“. Aus den hydrothermalen Quellen am Meeresgrund sprudeln Wässer, die hochkonzentrierter Nährstofflösung für die Hochtemperaturbakterien entsprechen. Und die Mikroorganismen brauchen auch diese Menge an Nährstoff. „Leben bei so hohen Temperaturen kommt immer mit dem Preis, dass man auch sehr, sehr schnell leben muss und einen sehr hohen Energieumsatz haben muss“, betont er, „die Zellen werden permanent durch die Hitze zerstört und müssen gegen diese Hitze-Zerstörung anarbeiten.“

Ergebnisse der genetischen Untersuchungen kommen erst noch

Das Problem für die Mikroben in den IODP-Bohrkernen aus dem Nankai-Trog: dort ist die Versorgungslage völlig anders, bei gleichen Temperaturen. Kallmeyer: „In tiefen Sedimenten haben wir genau das Gegenteil: Systeme, die enorm energiearm sind. Deshalb war es bisher so, dass diese sehr energiearmen Systeme ab ungefähr 80 Grad Celsius als nicht mehr belebt galten.“ Wie die Organismen an der Untergrenze der Biosphäre es dennoch schaffen, können erst die genetischen Untersuchungen klären, die derzeit noch andauern. Im Laufe dieses Jahres, so ist allerdings aus dem Team der IODP-Expedition 370 zu hören, sollen erste Ergebnisse veröffentlicht werden.