Ship's log MSM 79

The cruise MARIA S. MERIAN 79 contains two legs which research activities focus on “organic carbon": EUROTHAW (Edinburgh – Las Palmas) and MACPEI (Las Palmas – Mindelo). During the first leg sediment cores will be collected that contain “old carbon” that is released into the ocean by thawing of the European Tundra after the last ice age. 

The second Leg MACPEI, will focus on the now active processes of the marine biological pump - the process by which CO₂ is transformed to organic carbon, exported through sinking particles and finally sequestered in the deep ocean. Research groups of the MARUM – Center for Marine Environmental Sciences at the University of Bremen, The University of Westminster (London, UK), the Alfred-Wegener-Institute Bremerhaven and the Royal Netherlands Institute for Sea Research (Texel, Netherlands) will jointly study the production and entry of organic carbon in the ocean. Furthermore they will investigate the processes of the transport of organic particles through the water column, their degradation and final storage in the ocean floor. 

In dem Auftriebsgebiet vor Westafrika ist mächtig was los! Die von Norden am Kontinent vorbeiziehenden Strömungen sorgen für den Auftrieb von tiefen Wassermassen, die so ihre Nährstoffe mit nach oben bringen. Für die mikroskopisch kleinen Organismen, die im lichtdurchlässigen Bereich der Wassersäule leben, ist das wie eine riesige Düngerpumpe! Doch während sich diese Organismen nah am Licht pudelwohl fühlen, gehen im dunklen und verborgenen Teil des Meeres andere, geheimnisvolle Dinge vor.

In verschiedenen Tiefen lösen sich vom Kontinent kommend Lagen von Partikeln, die wie riesige Unterwasserwolken dahinziehen. Und wie Wolken verändern sich auch diese Partikellagen: mal ziehen sie etwas höher, mal etwas tiefer und mal ein bisschen weiter ins offene Meer hinaus. Noch geheimnisvoller sind diese trüben Partikellagen, weil wir nicht wissen, was da eigentlich so alles an Partikeln mitschwimmt. Zuerst müssen wir wissen, wie die top-aktuelle Position unserer Partikelwolken ist. Dazu schicken wir ein Gerät (CTD) in die Tiefe. Es zeigt uns, was dort passiert, indem es den Sauerstoffgehalt im Wasser, die Partikeldichte und die Temperatur misst. Während die CTD unter Wasser für uns „Augen und Ohren“ spielt, sitzen wir ganz gespannt vor dem Computer und identifizieren anhand der Messwerte die Tiefe der Partikellage.

Die Filter mit den Partikeln frieren wir ein und nehmen sie mit in unser High-Tech-Laboren am MARUM und Alfred Wegener Institut (Awi) in Bremerhaven. Am AWI bestimmen wir die chemische Zusammensetzung und das genaue Radiokarbonalter der verschiedenen organischen Komponenten in den Partikellagen um so etwas über ihre Herkunft und die Verweildauer im Meer zu erfahren. Dies hilft uns mehr über die verschiedenen Prozesse in der Wassersäule und das Schicksal von Partikeln im Meer herauszufinden.

Diese selbst für Mikroorganismen als Zwerge wirkende Lebewesen aus der taxonomischen Gruppe der Archaea sind kleiner als ein Tausendstel eines Millimeters und erfüllen trotzdem sehr wichtige Funktionen in den marinen Stoffkreisläufen.

Aufgrund ihrer enormen Häufigkeit findet man diese Archaeen quasi in jedem Tropfen des Ozeans. Statt Burger oder Veggie-Bratling ernähren sie sich von Ammonium, das beim Abbau von organischem Material entsteht. Ihre Biomasse bauen die sogenannten Ammonium-oxidierenden Archaeen, genau wie photosynthetische (Nutzung des Lichts zur Energiegewinnung) Pflanzen und Algen, aus Kohlendioxid auf.

Auf dieser Reise interessiert uns nun, wie fleißig diese Archaeen eigentlich im Ozean sind und wieviel Kohlendioxid durch diese Chemosynthese (Energiegewinnung aus chemischen Reaktionen) in den dunklen Tiefen des Wassers gebunden wird. Um diese Mikroben untersuchen zu können, benötigen wir für unsere Experimente richtig viel Wasser (200 Liter pro Experiment), das wir mit Hilfe einer Wassersammler-Rosette aus unterschiedlichen Wassertiefen an Bord holen. Durch spezielle Filterverfahren konzentrieren wir unsere Archaeen auf, sodass sich die Mikroben aus 200 Litern Meerwasser letztendlich in 15 Litern befinden. Die Archaeen ziehen also vom Mehrfamilien- in ein Einfamilienhaus, damit wir sie besser untersuchen können. Um den Umsatz von Ammonium und Kohlendioxid nachverfolgen zu können, setzen wir isotopisch-markierte Substrate ein, die während des Wachstums der Mikroben in die Zellen eingebaut werden oder als Abbauprodukt im Meerwasser nachweisbar sind.

Während diese Wachstumsexperimente über die Dauer der Fahrt MSM79 an Bord stattfinden, können die aufwendigen Analysen erst zurück in Bremen durchgeführt werden. Obwohl wir gespannt wie ein Flitzebogen sind, wissen wir erst dann, wie erfolgreich unsere Ausfahrt war und wie hoch die Chemosyntheserate unserer kleinen Archaeen in den großen Wassermassen des Atlantiks sind.

Charlotte Decker, Frederik Lange, Sandra Petrov, Marcus Elvert und Martin Könneke

Eine der bemerkenswerten Eigenschaften der Gattung sind die durchdachten Flügel und Auswüchse des Körpers. Es wird angenommen, dass ein solcher Auswuchs eine Anpassung darstellt, damit Zellen an einer günstigen Stelle in der Wassersäule bleiben, ohne in die Tiefe zu sinken. Im Fall von Histioneis spekulieren Wissenschaftler auch, dass diese Auswüchse dazu beitragen, das Wasser zu den symbiontischen Bakterien zu bringen.

Jane Lewis und Gerard Versteegh      

„Da ist sie!“ kommt es endlich erleichtert. Eine rote Fahne, befestigt an zwei Schwimmkugeln, ist in den Wellen aufgetaucht, kurz danach kommt eine weitere Traube von orangefarbenen Schwimmkugeln an die Wasseroberfläche. Das sogenannte Auslösesignal hat einwandfrei funktioniert und dafür gesorgt, dass die Fallen-Kette sich vom Anker auf 4.200 Meter Wassertiefe gelöst hat und durch die an ihr befestigten Schwimmkugeln nach oben aufsteigen konnte. 

Die drei Sedimentfallen, die auf circa 3.700, 1.500  und 1.400 Meter Wassertiefe untereinander hingen, haben Partikel aus der Wassersäule aufgefangen, die zum Meeresboden sedimentiert sind. Dabei wurden sie von großen Trichtern , an deren unterem Ende  kleine Becher angebracht waren, eingesammelt. Ein ausgeklügeltes Karussellsystem sorgte dafür, dass die Becher alle drei Wochen gewechselt wurden.

The small scientific crew of Leg 1 of the MARIA S. MERIAN cruise MSM79 happily accepted this welcome of the Bay of Biscay and started immediately their research activities by studying the ocean floor morphology and its subsurface sediment with Parasound and Multibeam. After this, sediments samples and several unique marine sedimentary environmental archives were collected by multicoring and gravity coring.

The sampling site is unique indeed as it is positioned where about 20.000 years ago, at the end of the last ice age, a giant river drained into the Atlantic Ocean. This, since sea level was much lower than today and large ice sheets covered large parts of Europe. The non-ice-covered ground between the ice sheets was largely permanently frozen, the so called Permafrost. When the ice age ended and Europe became warmer, these soils melted and were transported by the river into the ocean……..where they were deposited where today we find the middle of the Bay of Biscay.