Leben im Untergrund der Tiefsee - die tiefe Biosphäre

von Kai-Uwe Hinrichs, Verena Heuer und Julius Lipp
Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen

Dieser Artikel erschien in der Broschüre "20 Jahre Fachbereich Geowissenschaften - Einblicke in die aktuelle Forschung", herausgegeben vom FB Geowissenschaften der Universität Bremen im Mai 2006.

Jules Vernes berühmtes Buch »Reise zum Mittelpunkt der Erde« beschreibt, wie Professor Lidenbrock und sein Neffe Axel auf ihrem Weg in das tiefste Innere unseres Planeten vielfältige Lebensformen antreffen. Als der Roman erschien, galt die darin propagierte Idee einer von Licht und Luft abgeschlossenen Lebenswelt als Science Fiction, doch wissen wir heute, 142 Jahre später, dass Jules Verne nicht ganz Unrecht hatte. In den vergangen zwanzig Jahren haben die Expeditionen des internationalen Tiefseebohrprogramms (Ocean Drilling Program, ODP) gezeigt, dass im Sediment tief unter dem Meeresboden ein bis dahin völlig unbekanntes Ökosystem existiert ? die so genannte tiefe Biosphäre. Die dort lebenden Bakterien und Archaeen machen schätzungsweise ein Zehntel der auf der Erde vorhandenen Biomasse aus, doch bisher sind uns die einzelnen Lebensformen und ihre Überlebensstrategien noch weitgehend unbekannt.

Erste Anzeichen von Leben

Die ersten Hinweise auf die Existenz von Leben tief unterhalb des Meeresbodens fanden Geochemiker auf Reisen des ODP und des Vor­gän­ger­programms Deep Sea Drilling Project bei der Untersuchung des in Sedimentkernen eingeschlossenen Porenwassers. Selbst in mehreren hundert Metern Sedimenttiefe entdeckten sie für einige chemische Verbindungen Kon­zen­tra­tions­än­de­rungen, die sich ohne biologische Um­set­zungs­prozesse nur schwer erklären ließen. Besonders markante Beispiele hierfür sind die mikrobielle Reduktion von Sulfat zu Schwefelwasserstoff und die langsame Produktion von Methan, die mit der Zersetzung von abgelagerten organischen Resten einhergehen. Diese Beobachtungen brachten Geowissenschaftler um Ron Oremland und Jean Whelan aus den USA und John Parkes aus England in den 80er Jahren auf die Idee, gezielt nach Leben zu suchen. Insbesondere die systematischen Untersuchungen von zählbaren bakteriellen Zellen durch die Gruppe von John Parkes lieferten direkte Indizien für die Anwesenheit einer tiefen Biosphäre (Grafik links). Obwohl die Zellkonzentration mit zunehmender Tiefe deutlich abnimmt, befinden sich an Kontinentalrändern in nahezu 1 km Tiefe unter dem Meeresgrund häufig noch 1 Millionen Zellen pro Milliliter Sediment.

Offene Fragen

Noch wirft fast jeder Bohrkern aus der Tiefe neue Fragen auf: Unterscheiden sich die in der tiefen Bio­sphäre vergrabenen Mikroorganismen grundsätzlich von ihren Verwandten in flacheren Sedi­ment­schichten? Wie überleben sie unter den extremen Bedingungen? Woher nehmen sie Energie und Nährstoffe? Welche Rolle spielen sie in den globalen Elementkreisläufen? Und wo kommen sie überhaupt her?
Wie alle Lebewesen brauchen auch die Organismen in der tiefen Biosphäre einige Grundbau­steine zum Aufbau ihrer Zellen, darunter Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und einige Metalle, sowie eine Energiequelle zum Überleben. Da das Sonnenlicht, der Energielieferant für alles oberirdische Leben, in der Tiefsee ausscheidet, haben die Bewohner ihres Untergrunds keine große Wahl: Sie müssen von dem zehren, was ihre Umwelt ihnen bietet. Das können die ungenießbaren organischen Reste oberirdischer Lebensformen sein, die nach vielfachen Ver­dau­ungs­prozessen irgendwann einmal ins Sediment eingelagert wurden. Im Extremfall ist es nicht viel mehr als Wasser und das Gestein, in dem sie sitzen. Dabei ist klar: Diese Biosphäre ist enorm langsam und die Zellen müssen sich in einem Stadium befinden, den wir mit unseren Maßstäben wohl am besten als Tiefschlaf bezeichnen würden.

Neue Methoden

Die Erforschung dieses extremen Lebensraums wurde inzwischen vom Nachfolgeprogramm des ODP, dem Integrated Ocean Drilling Program, zu einem zentralen Forschungsthema erklärt. Fachlich stellt die tiefe Biosphäre ein Grenzgebiet zwischen Geochemie, Mikrobiologie und Geologie dar. Für ihre Erforschung ist ein funktionierendes Zusammenspiel der einzelnen Disziplinen genauso erforderlich, wie die Entwicklung neuer und die Optimierung bestehender Unter­su­chungs­methoden. Die Charakterisierung der lebenden Mikroorganismen und die Untersuchung ihres Stoffwechsels stellt eine besondere Herausforderung dar, da zum einen viele bio­geo­chemische und molekular-genetische Methoden in diesem energiearmen Ökosystem an ihre Nachweisgren­zen stoßen und zum anderen Kultivierungen zumeist nur für einen geringen, nicht re­prä­sentativen Anteil der im Sediment vorkommenden Mikroben gelingen.
Wir haben einen neuen Weg gewählt, um die biogeochemischen Stoffumwandlungen in der tiefen Biosphäre und die dafür verantwortlichen Organismen zu ergründen, indem wir zwei Gruppen von labilen organischen Molekülen untersuchen. Die eine Gruppe umfasst Membranbau­steine von mikrobiellen Sedimentbewohnern, die andere besteht aus deren Umsetzungsprodukten (s. Abb. rechts, zweite von unten). Im Gegensatz zum traditionellen Biomarkerkonzept, das für die Rekonstruktion von Paläoumweltbedingungen Moleküle mit hohem Erhaltungspotential benötigt, konzentrieren wir uns hier auf besonders kurzlebige Verbindungen, da nur diese Informationen über aktuelle Prozesse und die involvierten Mikroorganismen liefern können. Durch die Analyse von Membranbausteinen und Stoff­wech­sel­produkten in den tief begrabenen Sedimenten erfahren wir, welche Organismen dort leben, welche Kohlenstoffquellen sie verwenden und welche biologisch katalysierten Reaktionen das System dominieren.

Wer ist dort? Was passiert? - Membranbausteine erzählen Bände

Für die Charakterisierung der in der tiefen Biosphäre lebenden Archaeen und Bakterien sind besonders die fettartigen Bausteine ihrer Zell­wän­de, die so genannten Membranlipide, geeignet. Da es sich hierbei um hochlabile Moleküle handelt, kann ihr Vorliegen in intakter Form als Indikator für lebendige Mikroorganismen benutzt werden. Die Kombination von qualitativen, quan­­­ti­tativen und isotopischen Analysen an Mem­­­branlipiden gibt Hinweise zur Identität, Kon­zentration, und den Lebensgewohnheiten der Mikroben. In tiefen Sedimenten am peruanischen Kontinentalrand wollten wir jüngst eine wichtige Frage mit gezielten Analysen beantworten: Sind dieselben Organismen an der anaeroben Methanoxidation beteiligt wie auch an sedi­ment­oberflächennahen Methanaustritten? Der Prozess der anaeroben Methanoxidation beschäftigt Geowissenschaftler und Mikrobiologen schon seit geraumer Zeit, da er eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Methangehalte in der Atmosphäre und damit auch des Klimas spielt. Da dabei sowohl Methan als auch Sulfat verbraucht werden, lässt sich der Prozess und damit auch die Existenz der beteiligten Organismen in der ODP Bohrlokation 1229 vor Peru anhand der Konzentrationen dieser beiden Komponenten leicht auf zwei bestimmte Sedimenthorizonte eingrenzen, in denen gleichzeitig die Anzahl der intakten Zellen auffallend ansteigt (Abb. unten). Erwartungsgemäß fanden wir, wie auch an Methanaustritten, Membranlipide und damit Lebensspuren von Archaeen. Überraschend war jedoch, dass die 13C/12C-Isotopenverhältnisse dieser Verbindungen anzeigen, dass die Archaeen in der Tiefe keinen Methankoh­len­stoff zur Synthese ihrer Zellen aufnehmen, sondern Abbauprodukte des fossilen Sedimentkohlenstoffs verwenden. Dies ist ein fundamentaler Unterschied zu den uns sehr viel besser bekannten Methankonsumenten an Austrittsstellen und ein erster Hinweis, dass wir bei zukünftigen Untersuchungen dieses riesigen Lebensraums noch viele Überraschungen erleben könnten.

Gezielte Suche nach methanoxidierenden Archaeen in Sedimenten am peruanischen Kontinentalrand. Dort wo geochemische Profile Hinweise auf deren Existenz liefern, verraten Untersuchungen von Membranbausteinen überraschende Einzelheiten über die Lebensgewohnheiten dieser Organismen. Rechter Bildrand: Zelle einer Archaee aus dem entsprechenden Sedimenthorizont (mit molekularen Methoden rot angefärbt). (Daten nach D’Hondt et al., 2003, Bild von Zelle modifiziert nach Biddle et al., 2006)

Essig aus der Tiefe

Für das Verständnis der in der tiefen Biosphäre ablaufenden biogeochemischen Prozesse sind die Essigsäure bzw. deren Salz, das Azetat, besonders interessante Stoffwechselprodukte. Im Gegensatz zu den zuvor besprochenen Membranmolekülen, die uns Aufschluss über Identität und Verteilung von aktiven Organismen und deren Nahrungsquellen geben, liefert das Azetat poten­ziell wichtige Hinweise auf den bio­geo­che­mi­schen »Betriebszustand« des Ökosystems. Azetat ist ein zentrales Zwischenprodukt bei der Zer­setzung von organischer Materie unter Sauer­stoff­abschluss, d.h. unter den typischen Bedingungen in tief versenkten Sedimenten. Es wird vor allem bei Gärungsprozessen gebildet, ist aber zugleich auch eine wichtige Ausgangssubstanz in einer Vielzahl von mikrobiell katalysierten Prozessen. Ein Beispiel dafür ist die für die globale Klimaregulation bedeutsame Bildung von Methan aus Azetat. Diese Reaktion hat besonders in Reisfeldern – den wichtigsten Quellen atmosphärischen Methans – große Bedeutung.
Durch die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Messung stabiler Kohlenstoffisotope in wasserlöslichen organischen Stoffwechselprodukten sind wir seit kurzem erstmals in der Lage, routinemäßig die 13C/12C-Verhältnisse des Azetats in den Porenwässern natürlicher Sedimente zu analysieren. Derartige Messungen wurden bisher wegen der in der Regel niedrigen Azetatkon­zen­tra­tionen nur sehr selten durchgeführt. Unsere systematische Untersuchung unterschiedlicher Sedi­menttypen zeigt, dass die Isotopenzu­sam­men­setzung des Azetats stark variiert und dabei gleichzeitig wichtige Hinweise auf zentrale bio­geo­chemische Prozesse liefert (Abb. rechts, ganz unten).
Im Verbund mit Techniken der Geochemie und Mikrobiologie trägt die gezielte Analyse von organischen Molekülen erheblich zum Verständnis der biogeochemischen Umsetzungen, der Organismen und schließlich der Bedeutung der tiefen Biosphäre für globale Elementkreisläufe bei.

Weiterführende Literatur und Webseiten
Parkes et al., 2000; Hydrogeology Journal, 8, 11-28
D’Hondt et al., 2003; Proceedings of the Ocean Drilling Program: Initial Reports, 201
D’Hondt et al., 2004; Science 306, 2216-2221
Biddle et al., 2006; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 3846-3851
www.gso.uri.edu/astrobiology/