Dornröschen und Methusalem – Leben der tiefen Biosphäre

Die tiefe Biosphäre

Wir suchen nach Leben auf dem Mars und anderen Planeten. Aber warum muss das Leben denn „auf“ dem Planeten – also auf der Oberfläche – sein? Warum nicht tief vergraben unter der Oberfläche? Schließlich ist auch auf der Erde in der Tiefe des Untergrunds Leben zu finden. In der sogenannten tiefen Biosphäre, die die terrestrischen und marinen Böden bis in mehrere Tausend Meter Tiefe umfasst. Dass mikrobielles Leben im tiefen Meeresboden existiert, wissen wir seit über 25 Jahren mit Sicherheit. Der Begriff der tiefen Biosphäre wurde 1994 durch eine Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature geprägt.  Leben kommt also nicht nur auf der Erde vor, sondern auch tief vergraben, vor allem im Meeressediment.

Die Grenzen des Lebens

Was entscheidet darüber, wo Leben vorkommt? Was sind die Grenzen des Lebens und was die limitierenden Faktoren? Ist es die Tiefe selbst? Der Druck? Die Temperatur?

Eine Annäherung an die Temperaturgrenzen des Lebens erhofften sich 43 Wissenschaftler*innen von 29 Instituten in neun Ländern, die 2016 auf dem Forschungsschiff Chikyu aufbrachen bzw. zeitgleich ihre Arbeitsplätze an Land im Kochi Core Center einrichteten.

Das Tiefsee-Bohrschiff Chikyu
Bei der IODP-Expedition 370 wurde das wissenschaftliche Tiefsee-Bohrschiff Chikyu eingesetzt. Foto: JAMSTEC

Das Ziel der Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition 370 war der Nankai-Graben vor der kleinsten der japanischen Hauptinseln, Shikoku. Hier fanden bereits 16 Jahre zuvor wissenschaftliche Bohrungen statt. Daher wussten die Initiatoren der Expedition, Prof. Kai-Uwe Hinrichs vom Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) der Universität Bremen und Dr. Fumio Inagaki von der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), dass die Wissenschaftler*innen ideale Bedingungen für ihr Forschungsvorhaben vorfinden würden: Die Wassertiefe beträgt „nur“ knapp 4.800 m. Die darunter liegende Sedimentschicht ist gerade einmal 1.200 m dick, aber mit einem recht steilen Temperaturgradienten. An der Oberfläche (Grenze Wasser-Sediment) ist das Sediment 2 °C kalt und 120 °C heiß an der Grenze zur darunterliegenden Kruste. Die Anwesenheit lebender Zellen bis zu einer Tiefe von 800 m und einer Temperatur von 80-90 °C war auch bereits durch vorhergehende Bohrungen belegt. Allerdings waren die Nachweisgrenzen für Zellen im Sediment bei der im Jahr 2000 durchgeführten Bohrung noch um bis zu hunderttausendmal schlechter als 2016. Als I-Tüpfelchen liegt die Bohrlokation auch noch in Hubschrauberentfernung zum Kochi Core Center, einem der vier weltweiten Bohrkern-Lager des IODP. Also in Hubschrauberentfernung zu einem Labor, das perfekt für die Untersuchung empfindlicher Bohrkerne und ihrer Bewohner eingerichtet ist.

„Ich liebe Matsch“

Mit an Bord der Chikyu, dem hochtechnisierten Schiff der JAMSTEC für wissenschaftliche Tiefseebohrungen, war die Co-Expeditionsleiterin Dr. Verena Heuer vom MARUM in Bremen. Bereits in ihrem Studium der Geoökologie hatte Heuer erste Berührungen mit Sedimenten. Sie machte dann frühdiagenetische Prozesse im Sediment zu ihrem Promotionsthema, das sie seither nicht mehr losließ. Auf die Frage, wie sie zu diesem Thema gekommen sei, lautete ihre Antwort: „Ich liebe Matsch!“.

Dr. Verena Heuer und Dr. Fumio Inagaki
Die Co-Fahrtleiter Verena Heuer und Fumio Inagaki beobachten Bohrungen.
Foto: JAMSTEC/​IODP

Mit dem Matsch bzw. mit seiner durch Druck verfestigte Form, dem Sedimentgestein, beschäftigt sie sich seit rund zwei Jahrzehnten. Die Zusammensetzung des Sedimentgesteins, des Lebens im Sedimentgestein und die Bedingungen, unter denen dieses Leben stattfindet. Erste Voraussetzung für die Erforschung des Lebens – also der Mikroorganismen – im tiefen Sediment ist, dass das Leben nachgewiesen werden kann. Die Nachweisgrenze in den Bohrkernen der IODP-Expedition 370 zum Nankai-Graben lag bei beeindruckenden 16 Zellen pro Kubikzentimeter Sediment (bereits inklusive Standardabweichung).

In den Bohrkernen ging das Team auf die Suche nach Leben. Sie fanden es in Form vegetativer, also potenziell stoffwechselaktiver Zellen ebenso wie in Form von Endosporen. Endosporen sind die Zeitkapseln einiger Bakterienstämme: sie sind fest verschlossene Einheiten, die über ihre feste Hülle kaum Stoffe und Energie verlieren, die keinen aktiven Stoffwechsel haben, sich nicht bewegen, keine Proteine produzieren, keine Reparaturen an Proteinen oder DNA durchführen. Sie warten einfach nur, bis die schlechten Umweltbedingungen vorbei sind und sie wieder erwachen – quasi die Dornröschen unter den Mikroorganismen. Im Gegensatz zu Dornröschen schlafen sie allerdings mitunter nicht nur einhundert Jahre, sondern Jahrtausende lang.

1177m, 120 °C

Vegetative Zellen fanden die Wissenschaftler*innen vor allem in den oberen 300-400 m des Sediments. In dem Bereich, in dem die Temperatur von 40 °C auf 50 °C ansteigt, bricht das Ökosystem jäh zusammen. Nur noch wenige vegetative Zellen, nah an der Nachweisgrenze, sind zu sehen. Dafür nimmt oberhalb von 50 °C die Konzentration an Endosporen massiv zu. Sie erreichen ihre höchste Konzentrationsdichte bei 80-90 °C und etwa 700-800 m Sedimenttiefe. Die geringe Zahl vegetativer Zellen und die Zunahme der Endosporenkonzentration zeigt, dass im Temperaturbereich 80-90 °C eine entscheidende Grenze für einen Teil des mikrobiellen Lebens liegt.

Doch die eigentliche Sensation kam tiefer. Unterhalb von 1.000 m konnte das Forschungsteam wieder vegetative, stoffwechselaktive Zellen nachweisen. Sie fanden Zellnester in 1.177 m Tiefe bei dauerhaften Temperaturen von rund 120 °C. Tatsächlich ist dort unten die Zellkonzentration mit bis zu 400 Zellen/cm3 deutlich größer als in den 500 Metern darüber.

Ein Bohrkern
Bohrkern der Expedition zeigt die Temperaturgrenze von 120 Grad Celsius.
Foto: JAMSTEC/​IODP

Quelle des Lebens

Warum ist es eine Sensation, diese vegetativen Zellen zu finden? Schließlich wissen wir von Tieren und Mikroorganismen, die unglaubliche Ökosysteme um Schwarze und Weiße Raucher herum in der Tiefsee bilden. Dort nutzen sie die Energie heißer Schwefelverbindungen, um durch Chemosynthese organische Verbindungen zu bilden und den universellen, zellinternen Energieträger ATP aufzuladen. An den Hydrothermalquellen gibt es reichlich Energie, nicht nur zum Leben, also für den Grundumsatz, für Wachstum und Zellteilung oder sonstige Vermehrung. Sondern auch genug, um die vielen Schäden an Proteinen und DNA zu reparieren, die durch die Hitze der Umgebung verursacht werden.

Die hyperthermophilen Mikroorganismen im Nankai-Graben leben zwar bei den gleichen oder sogar noch höheren Temperaturen, mit viel Potenzial zur Zellschädigung, aber in einer extrem energiearmen Umgebung. Denn die leicht verfügbaren Bestandteile des begrabenen organischen Materials sind im alten Sediment längst abgebaut und die energiereichen Gase, die aus der ozeanischen Kruste austreten, sind in weiter Ferne. Sowohl Elektronendonatoren als auch -akzeptoren sind Mangelware. Der Elektronentransfer zwischen Molekülen ist jedoch die Basis der Lebensenergie.

Wie können die Zellen also leben? Wie sich vermehren? Woher nehmen sie ihre Energie?

Methanbildende Oasen

Chemische Analysen der Bohrproben zeigten biogenes Methan in der Tiefe – also Methan, das von Lebewesen hergestellt wurde. Die einzigen Lebewesen dort unten sind die Zellnester, die von Heuer mit Oasen in der Wüste verglichen wurden. Diese Zellnester überleben durch den Abbau von Acetat, das durch die Hitze aus dem alten organischen Material des Sedimentes freigesetzt wird. Dabei bilden sie Methan. Die gewonnene Energie reicht offensichtlich aus, um den Grundbedarf der Zellen zu decken und die durch Hitze entstandenen Zellschäden zu reparieren. Es scheint aber keine Energie für Wachstum oder Zellteilung übrig zu bleiben. Zumindest gibt es in diesen Proben keine Hinweise darauf, genauso wenig wie in anderen Studien über die Mikroorganismen der tiefen Biosphäre. Wir reden hier von Organismen, deren Wachstum und Zellteilung nicht in Stunden oder Tagen zu messen ist, wie bei vielen Laborkulturen in Petrischalen, sondern in Jahrhunderten und Jahrtausenden.

Bearbeitung mikrobiologischer Proben im Kochi Core Center
Mikrobiologische Proben wurden im Labor des Kochi Core Centers genommen.
Foto: JAMSTEC/​IODP

Alt ist relativ

Eine kürzlich veröffentlichte Studie von Dr. Yuki Morono (JAMSTEC), einem der Co-Expeditionsleiter der IODP-Expedition 370, zeigt lebensfähige Zellen aus 100 Millionen Jahre alten, extrem kohlenstoffarmen und daher noch immer sauerstoffhaltigen Sedimentschichten. Diese Zellen – aus dem Sediment unter dem Südpazifischen Wirbel gewonnen – wurden möglicherweise bei Ablagerung des Sediments dort eingeschlossen. Ob das auch bei den Zellen in 1.177 m Tiefe bei 120 °C in Nankai-Graben der Fall ist, wissen wir nicht. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass sie später dorthin migriert sind, ist nicht sehr hoch. Außerdem ist das Sediment im Nankai-Graben regelrecht jung, lediglich 16 Millionen Jahre alt. Da es sich nicht um Sporen und damit Dauerformen in Warteposition handelt, sondern um aktive, vegetative Zellen, sind das hier vielleicht mikrobielle Methusalems – uralt und doch überraschend aktiv.

Heiß und porös = steril?

Die Einwanderung von Zellen aus höheren und damit jüngeren Sedimentschichten ist jedenfalls unwahrscheinlich. Denn in der Tiefe von 850-1.000 m konnte das Forschungsteam keine vegetativen Zellen oder Endosporen nachweisen. Ob die Schicht tatsächlich steril ist oder die Zellkonzentration lediglich unter der Nachweisgrenze von 16 Zellen/cm3 liegt, kann laut Heuer nicht eindeutig bestimmt werden. Klar ist jedoch, dass in dieser Zone der Stress besonders hoch ist. Sie liegt genau an der Stelle, an der die ozeanische Kruste mit ihre Sedimentfracht in die Subduktionszone abzutauchen beginnt. Die Sedimente stehen unter Überdruck, sind mechanisch instabil, können bei den häufigen Erdbeben im Nankai-Graben besonders leicht erschüttert werden und möglicherweise Zellen mechanisch zerreiben. Außerdem zeigen hydrothermale Mineralablagerungen, dass diese Schicht immer wieder von überhitzten Flüssigkeiten mit Temperaturen von 140-220 °C durchspült wird. Jede dieser Episoden dauert vermutlich nicht länger als einen Tag. Doch das dürfte sogar für die an extremen Temperaturen angepassten hyperthermophilen Organismen der Region zu heiß sein und sie töten.

Ein Bohrkern wird an Deck der Chikyu geborgen
Ein Bohrkern wird an Deck der CHIKYU geborgen. Foto: JAMSTEC/​IODP

Zweifel statt Party

Vor IODP-Expedition 370 wurde an der gewählten Bohrlokation bereits Leben bei 80-90 °C in 800 m Tiefe nachgewiesen. Nördlich von Honshu, ebenfalls Japan, wurden in einer Tiefe von 2,5 km lebende Mikroorganismen gefunden, allerdings bei einer Temperatur von gemütlichen 63 °C. Heuer hat trotzdem – basierend auf den ganzen vorhergehenden Forschungsergebnissen und der geringen Nachweisgrenze – damit gerechnet, dass es bei höheren Temperaturen noch Leben geben würde: „Ich habe gedacht, wir finden da was!“.

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme der Zellen aus Bohrkernen
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von mikrobiellen Zellen im tiefen Unterseeboden. Die Zellen wurden mit einem grünen Fluoreszenzfarbstoff angefärbt. Links: Mikrobielle Zellen, die aus einer Sedimentkernprobe (43R-3) in einer Tiefe von 652 Meter bei 76 Grad Celsius abgetrennt wurden. Rechts: Eine mikrobielle Zelle, die aus einer Sedimentkernprobe (112R-2) in einer Tiefe von 1176,8 Meter bei 120 Grad Celsius nachgewiesen wurde (eine Zelle in der Mitte des Bildes). Die Skala zeigt 20 Mikrometer (1/50 eines Millimeters). Foto: JAMSTEC/IODP

Sie war dann auch dabei, als die Proben aus größter Bohrtiefe im Kochi Core Center unter dem Mikroskop lagen und Zellen zu sehen waren. Das Gefühl von „Wow, das ist es jetzt!“ wurde aber ganz schnell von Zweifeln und „Sehe ich das richtig?“ abgelöst. Keine Party, sondern Hinterfragen und Überprüfen der Ergebnisse folgten. Das sei in gewisser Weise die Durststrecke der reibungslos und perfekt verlaufenen Expedition gewesen: Die lange Zeit, die Heuer und die anderen Mitglieder des Forschungsprojekts brauchten, um ihre Ergebnisse wieder und wieder zu hinterfragen und zu verfestigen. Bis sich schließlich alle Puzzleteile aus im Mikroskop gezählten Zellen, Methankonzentrationen, Acetatkonzentrationen und vielen anderen Teilprojekten ergänzten und das gesamte Bild ergaben, das am 4. Dezember 2020 – mehr als vier Jahre nach Ende der Expedition – in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Die Spitze des Eisbergs – bei 120 °C

Laut Heuer ist diese Publikation erst die Spitze des Eisbergs. Weitere Ergebnisse der IODP-Expedition 370 warten noch darauf, veröffentlicht zu werden. Ebenso werden auch zukünftig Expeditionen stattfinden, um die tiefe Biosphäre weiter zu erkunden. Denn schließlich leben rund 30 % der gesamten mikrobiellen Biomasse der Erde im tiefen Sediment. Somit spielt die tiefe Biosphäre in den globalen Stoffzyklen mit, unter anderem durch die beträchtliche Menge Kohlenstoff, die sie in der Tiefe bindet. Eine Tatsache, die wir in Hinblick auf Kohlenstoffzyklen und Klimawandel nicht unbeachtet lassen dürfen. Ganz davon abgesehen hat die Expedition 370 die Leitfrage des Forschungsvorhabens nach der Temperaturgrenze des Lebens nicht beantworten können: In den heißesten Proben wurde Leben gefunden – 120 °C dauerhaft ist also noch diesseits dieser weiterhin unbekannten Grenze.

Wissenschaftler*innen der IODP-Expedition 370
Die Wissenschaflerinnen und Wissenschaftler der IODP-Expedition 370. Foto: JAMSTEC/​IODP

Hauptquellen:

  1. Heuer et al., Science 37:65210 (2020): Temperature limits to deep subseafloor life in the Nankai trough subduction zone
  2. Morono et al., Nature Communication 11, 6326 (2020): Aerobic microbial life persists in oxic marine sediment as old as 101.5 million years
  3. M. Hoehler et al., Nature Reviews Microbiology 11 (2013): Microbial life under extreme energy limitation
  4. R. J. Parkes et al., Nature 371 (1994): Deep bacterial biosphere in Pacific Ocean sediments
  5. Direkte Kommunikation mit Dr. Heuer

Ich bin promovierte Biologin, Taucherin und generelle Meeresenthusiastin. Geboren an der Nordsee studierte ich Biologie im Binnenland, ursprünglich um Wissenschaftsjournalistin zu werden. Nach einem über 20jährigen Umweg - der unter anderem eine Promotion in Neurobiologie, einen Postdoc im Bereich Krebsforschung zwischen Mittel-, Rotem und Totem Meer, ein Jahr als wissenschaftliche Reiseleiterin auf den Galapagos-Inseln, 15 Jahren als Trainerin und Consultant in der Telekommunikationstechnik, Reisen nach Kiribati, Fidschi und in über 40 andere Ländern enthielt - schließt sich der Kreis: Artikel in verschiedenen Zeitschriften und Zeitungen sowie ein erstes Buch (Klimawandel hautnah, Springer 2018) bringen mich langsam zurück zu den Wurzeln, zum Wissenschaftsjournalismus.

5 Kommentare

  1. Überraschung, und dies am Dreikönigstag.
    Dass es in 1000m Tiefe im Sediment Leben gibt, wer hätte das gedacht ?
    Weiter solche Überraschungen.

  2. Wir suchen nach Leben auf dem Mars und anderen Planeten. Aber warum muss das Leben denn „auf“ dem Planeten – also auf der Oberfläche – sein?

    Hat das jemand behauptet?
    Das man auf Mars z.B. eher oberflächlich sucht hat doch nur technische Gründe.
    Einen tonnenschweren Bohrer kann man da halt nicht so einfach hinbringen.

    • @einer:

      «Unter einer Strassenlaterne steht ein Betrunkener und sucht und sucht. Ein Polizist kommt daher, fragt ihn, was er verloren habe, und der Mann antwortet: “Meinen Schlüssel.” Nun suchen beide. Schliesslich will der Polizist wissen, ob der Mann sicher ist, den Schlüssel gerade hier verloren zu haben, und jener antwortet: “Nein, nicht hier, sondern dort hinten, aber dort ist es viel zu finster.”»

      Aus: „Anleitung zum Unglücklichsein“ von Paul Watzlawick

  3. Auf oder eher wohl unter dem Mars (auf der Oberfläche stört Strahlung und Chemie) könnte schon noch Leben schlummern – am ehesten wohl tiefgekühlt (die Durchschnittstemperatur ist -62 Grad Celsius), denn die Temperaturen steigen selten über Null Grad.

    • Wer weiss? Vielleicht gibt es ja Organismen, die bei -62 °C aktiv leben können. Denn wer hätte gedacht, dass es welche gibt, die Tausende oder gar Millionen Jahre alt werden können, mit einem aktiven Stoffwechsel, wie die Bewohner der tiefen Biosphäre? Ich bin jedenfalls gespannt, was für Überraschungen uns auf der Erde noch erwarten – und wievele mehr auf anderen Planeten!

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