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Mikroben weit unter dem Ozeanboden sind auf Recycling angewiesen, um zu überleben

11.03.2020
Team gewinnt Einblicke in die Funktionsweise von Organismen in der tiefen Biosphäre
Hohlraum innerhalb einer Karbonatader in einem der Gesteinskerne, die auf mikrobiologische Aktivität untersucht wurden. Foto: William Crawford und IODP
Hohlraum innerhalb einer Karbonatader in einem der Gesteinskerne, die auf mikrobiologische Aktivität untersucht wurden. Foto: William Crawford und IODP

Ein internationales Team von Forschenden hat die Überlebensmechanismen von Mikroorganismen in Gesteinen untersucht, die sich Tausende von Metern unter dem Ozeanboden in der unteren ozeanischen Kruste einnisten. Die Studie unter Federführung der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) wurde jetzt im Fachjournal Nature veröffentlicht. Mit beteiligt ist auch Dr. Florence Schubotz vom MARUM – Zentrum für marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen.

Für den Nachweis haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Boten-Ribonukleinsäure (Boten-RNA) analysiert. Sie ist dafür verantwortlich, Informationen zur Bildung von Proteinen in Zellen zu transportieren. Diese Analyse wurde mit Messungen von Enzymaktivitäten, Mikroskopie, Kulturen und Biomarker-Analysen gekoppelt. Das Ergebnis dieser kombinierten Untersuchungen zeigt, dass es eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroben gibt, die als Konsumenten in der Nahrungskette agieren und so Kohlenstoff und Energie erhalten.

„Organismen, die weit unter dem Meeresboden leben, leben in einer lebensfeindlichen Umgebung“, sagt Dr. Vivian Mara, WHOI-Biochemikerin und eine der Hauptautorinnen des Artikels. Knappe Ressourcen finden ihren Weg in den Meeresboden durch Meerwasser und unterirdische Flüssigkeiten, die durch Risse im Gestein zirkulieren und anorganische und organische Verbindungen mit sich führen. „Um das spärliche Leben in diesen Steinen nachzuweisen, müssen wir auf modernste Spurenanalytik zurückgreifen“, erklärt Florence Schubotz, organische Geochemikerin am MARUM.  

Um zu sehen, welche Arten von Mikroben in diesen Extremen leben und was sie tun, um zu überleben, sammelten die Forscherinnen und Forscher während drei Monaten an Bord der Expedition 360 im Rahmen des International Ocean Discovery Program (IODP) Gesteinsproben aus der unteren ozeanischen Kruste. Das Forschungsschiff reiste zu einem Unterwasser-Rücken namens Atlantis Bank, der den südlichen Indischen Ozean durchquert. Dort legt die tektonische Aktivität die untere ozeanische Kruste am Meeresboden frei und „bietet einen bequemen Zugang zu einem sonst weitgehend unzugänglichen Gebiet“, schreiben die Autorinnen und Autoren. 

Das Team durchkämmte die Felsen nach genetischem Material und anderen organischen Molekülen, zählten Zellen und züchteten Proben im Labor, um bei der Suche nach Leben zu helfen. „Wir haben einen völlig neuen Methodencocktail angewandt, um diese kostbaren Proben so intensiv wie möglich zu erforschen“, sagt Dr. Virginia Edgcomb, Mikrobiologin am WHOI, leitende Forscherin des Projekts und Mitautorin der Arbeit. „In Kombination erzählen die Daten eine Geschichte von Überlebenskünstlern, die es schaffen, unter unwirtlichen Bedingungen jede spärlich vorhandene Ressource zu nutzen und einzulagern.“ Florence Schubotz vom MARUM ergänzt: „Die Ergebnisse waren überraschend, da wir damit gerechnet haben, dass in diesen kohlenstoffarmen Gebieten ursprünglichere Stoffwechselwege vorherrschen, die einfache Kohlenstoffverbindungen nutzen.” Das ist zum Beispiel an anderen extremen Standorten wie heißen Quellen der Fall.

Die Studie ist ein Beleg für die vielfältigen Überlebensstrategien von Mikroorganismen im Ozeanboden. Einige Mikroben scheinen zum Beispiel Kohlenstoff in ihren Zellen zu speichern, so dass sie sich für Zeiten des Mangels bevorraten konnten. Andere verarbeiten etwa Stickstoff und Schwefel, um Energie zu gewinnen, und scheinen dabei Vitamin E und B12 zu produzieren, Aminosäuren zu recyceln und Kohlenstoff aus schwer abbaubaren Verbindungen, den so genannten polyaromatischen Kohlenwasserstoffen, verwerten zu können.

Diese neuen Einblicke in das Leben in fernen Gebieten der Erde ließen offen, wie diese mit anderen Stoffkreisläufen in den Ozeanen verknüpft sind, sagt Schubotz. „Wenn man bedenkt, wie groß das Volumen der ozeanischen Kruste ist, können selbst niedrige Zellzahlen und langsame Stoffwechselraten einen Beitrag zu globalen Prozessen leisten.“ 

Kontakt:
Dr. Florence Schubotz
Organische Geochemie
Tellefon: 0421-218-65724
E-Mail: [Bitte aktivieren Sie Javascript]

 

Das MARUM gewinnt grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die Rolle des Ozeans und des Meeresbodens im gesamten Erdsystem. Die Dynamik des Ozeans und des Meeresbodens prägen durch Wechselwirkungen von geologischen, physikalischen, biologischen und chemischen Prozessen maßgeblich das gesamte Erdsystem. Dadurch werden das Klima sowie der globale Kohlenstoffkreislauf beeinflusst und es entstehen einzigartige biologische Systeme. Das MARUM steht für grundlagenorientierte und ergebnisoffene Forschung in Verantwortung vor der Gesellschaft, zum Wohl der Meeresumwelt und im Sinne der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen. Es veröffentlicht seine qualitätsgeprüften, wissenschaftlichen Daten und macht diese frei zugänglich. Das MARUM informiert die Öffentlichkeit über neue Erkenntnisse der Meeresumwelt, und stellt im Dialog mit der Gesellschaft Handlungswissen bereit. Kooperationen des MARUM mit Unternehmen und Industriepartnern erfolgen unter Wahrung seines Ziels zum Schutz der Meeresumwelt.

Originalpulikation:

Jiantao Li, Paraskevi Mara, Florence Schubotz, Jason Sylvan, Gaetan Burgaud, Frieder Klein, David Beaudoin, Shu-Ying Wee, Henry Dick, Sarah Lott, Rebecca Cox, Lara Meyer, Maxence Quemener, Donna Blackman, Virginia Edgcomb: Recycling and metabolic flexibility dictate life in the lower oceanic crust. Nature 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2075-5

Pressemitteilung WHOI (auf Englisch)

Mehr Informationen zur IODP Expedition 360