Mikroben

Leben im Erdinneren

Die Steinefresser

Seit den jüngsten Funden aus Tiefsee-Bohrlöchern ist als wahr erkannt, was sich auf den ersten Blick anhört, wie der Jules Vernes Sci-Klassiker "Reise zum Mittelpunkt der Erde": Es gibt Leben im Erdinneren.

Fenster in ein unterirdisches Ökosystem
Seit Jahren werden Tiefenbohrungen Auf der Suche nach neuen Erdöl und Erdgasvorkommen im Rahmen eines von der US-Regierung finanzierten Ozean-Bohr-Programms (ODP) von speziellen Schiffen aus durchgeführt.
Dabei werden bis in 6 km Tiefe Rohrleitungen auf den Meeresgrund platziert. Mit Diamant besetzten Bohrköpfen bohrt man bis zu 2 km tiefe Löcher und entnimmt Bohrkerne aus der unter dem Wasser liegend Erdkruste Die Bohrkerne werden geborgen und untersucht. Neben eigentlichem Zeck der Rohstoffgewinnung bietet sich der Wissenschaft ein seltener "Blick" ins Innere der Erdkruste unter der Tiefsee an. 1998 war es, als Forscher vom College of Oceanic & Atmospheric Sciences der Oregon State University die kleinste Lebewesen aus diesem Bereich fand. Was kein Mensch vorher auch nur annähernd hätte vermutet hätte: im massiven unterseeischem Gestein wurden Spuren von Mikroben gefunden. Mikroben denen weder Sonne, Sauerstoff zur Verfügung stehen dafür aber extreme Drücke und Temperaturen zwischen +20°C bis +100°C. Man fand nicht vereinzelte Spuren sondern so viele, dass man davon ausgehen kann es handelt sich um ein eigenes Ökosystem, das für jedes uns bekannte Wesen eigentlich tödlich sein müsste. Es handelt sich dabei um extremophile Mikroorganismen, die wachsen, ohne sich von organischen Stoffen ernähren zu müssen. Stattdessen fressen sie das, was im Überfluss vorhanden ist: Gestein. Dazu verarbeiten sie weitere vorhandene anorganische Stoffe wie Kohlendioxid, Sulfide, Wasserstoff reduzieren Stickstoff- und Schwefelverbindungen zur Gewinnung von Energie für ihren Stoffwechsel Diese unterseeischen "Extremos" hinterlassen massenhaft Spuren in der in der Erdkruste. Sie wurden unter dem Pazifik und auch unter dem Atlantik entdeckt. Sie fressen mikroskopisch dünne Gänge durch den Fels und hinterlassen Rückstände, wie sie für lebende Bakterien typisch sind.

Auf den Spuren der Steinfresser
aus Die Forscher entdeckten DNA-Rest von Mikroben in hauchdünnen Gängen von 15 Millionen Jahre altem Basaltgestein, dessen Gesteinsproben aus einem Bohrloch, rund 400 Meter unter dem Meeresboden entnommen wurden. Dabei handelt es sich um vulkanisches Gestein deren Lava sehr rasch abkühlte. Man nimmt an, dass ursprünglich äußerst temperaturresistenten Mikroben im Meer trieben und von der erstarrenden Lava eingeschlossen wurden. Dabei überlebten sie die heiße Phase und fanden danach im Gestein alle lebensnotwendigen Bestandteile wie Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff und eindringendes Meereswasser.

Expedition in die Erdkruste
Zwei Jahre später konnten Bohrkerne der Scripps Institution of Oceanography weitere Details liefern. Hubert Staudigels Team fand so etwas wie Schleimspuren, ein bakterieller Biofilm, in diesen rund 25 Mikrometer dünnen Kanälen. Zuerst unter dem Nordatlantik in über 4000 Meter Tiefe in erstarrter Lava, dann auch an Dutzenden anderen Orten. Obwohl Spuren dieser Art bis 800 tief in den Meeresgrund hineinreichen, sind vor allem die oberen 300 Meter der Ozeankruste geradezu durchlöchert - und dies in vielen Meeresregionen, so Staudigel damals, was auf eine enorm große Population schließen lässt. Auch Jack Baldauf, wissenschaftlicher Leiter des ODP-Programms an der Texas A&M University, schätzt aufgrund bisheriger Funde, dass diese unterseeischen Mikroben zwischen 10 und 30 Prozent der gesamt-irdischen Biomasse ausmachen. Im Februar 2002 startete deshalb eine Expedition unter Beteiligung von 28 internationalen Meeresbiologen, Geophysikern und Geologen, um Art und Verbreitung dieser Mikroben in den bereits bestehenden Bohrlöchern des ODPs näher zu untersuchen (wir berichteten darüber). Der Endbericht wird aber wohl noch auf sich warten lassen, da hunderte Bohrkerne bis heute von den verschiedenen Institutionen ausgewertet werden, die gefundenen Mikroben auf ihr genetisches Verwandschaftsverhältnis zu bekannten extremophilen Bakterien untersucht werden. "Nur eines ist bislang sicher", so Jay Miller von der Texas A&M University, "diese neue Bakterienspezies entstammt dem gleichen phylogenetischen Stammbaum wie andere bekannte Bakterien." Alleine die Klassifizierung würde noch Monate benötigen und ob sie sich kultivieren ließen, wäre noch unbekannt

"Wir erwarten uns aufregende Entdeckungen", sagt Jack Baldauf, ODP-Direktor an der Texas A&M University und wissenschaftlicher Leiter des Programms. "Frühere Reisen haben Spuren solcher Bakterien aus Tiefen von bis zu 800 Metern unter dem Meeresgrund zu Tage gebracht, doch es ist bislang kaum etwas über sie oder ihre Rolle in der ozeanischen Biochemie bekannt." Ein Expeditionsteam unter Hubert Staudigel und Harald Furnes von der Scripps Institution of Oceanography der University of California in San Diego hatte im Vorjahr Spuren der geheimnisvollen autolithotrophen Felsbewohner in Bohrkernen aus rund 4000 Meter Tiefe und 375 Meter unter dem pazifischen Meeresboden und später auch im Nordatlantik entdeckt. Durch die erstarrte Lava unterseeischer Vulkane zogen sich zahllose rund 25 Mikrometer dünne Kanäle, die keine andere Erklärung zuließen, als dass sie von Mikroben hinein gefressen wurden. Gefunden wurde dabei auch eine Art "Schleimspur", ein bakterieller Biofilm, der darauf hindeutet, dass die Mikroben chemische Energie aus der Zersetzung des Gesteins gewinnen. Vor allem die oberen 300 Meter der Ozeankruste seien geradezu durchlöchert - und dies in nahezu allen Regionen des Meeres, so Staudigel damals. Laut ihm werden durch die Interaktion des Meerwassers mit unterseeischen Lavaflüssen chemische Prozesse in Gang gesetzt, die den Kohlenstoffgehalt des Meeres beeinflussen, so sehr, dass dies einen Faktor für das Klima der gesamten Erde darstellt. In diesem Umfeld würden sich aber ebenso - bisher unbeachtete - biologische Prozesse abspielen, wie die Existenz der Mikroben zeigt.

Biosphäre ist größer als wir dachten
Auch A&M-Forscher Baldauf schätzt die Anzahl der unterseeischen Mikroben sehr hoch ein: "Wir glauben, dass unsere Biosphäre um einiges größer ist, als wir bislang dachten - denn sie hört nicht am Meeresgrund auf. Diese unterseeischen Mikroben könnten zwischen 10 und 30 Prozent der irdischen Biomasse ausmachen." Tom Davies, Leiter der ODP-Expedition, die von einem Konsortium multinationaler Meeresforschungsinstitutionen, der Joint Oceanographic Institution (JOI), durchgeführt wird, ist jedenfalls gespannt: "Es ist wie wenn sie das erste Mal in einen tropischen Regenwald vordringen und anfangen, die Vögel zu charakterisieren und zu zählen. Diese Art von Mikrobiologie ist ein neues Wissenschaftsfeld für uns und es stellen sich grundlegende Fragen über die Existenz von Leben in den extremsten Regionen dieses oder sogar anderer Planeten." Dass ähnliches geartetes Leben durchaus auch auf anderen Planeten gedeihen könnte, die bislang nicht gerade als "lebenswerte" Orte eingestuft wurden, dieser Meinung sind auch jene Forscher, die 1998 die kleinen "Steinfresser" erstmals einer breiteren Öffentlichkeit präsentierten.

Leben gedeiht beinahe überall
Martin R. Fisk und Steve Giovannoni vom College of Oceanic & Atmospheric Sciences der Oregon State University entdeckten die Mikroben DNA in den hauchdünnen Gängen von 15 Millionen Jahre altem Basaltgestein, das 400 Meter unter dem Meeresboden des Atlantik ruhte. Überall dort, wo vulkanische Lava sehr rasch abkühlte, waren die Miniaturgänge zu finden - und darin immer wieder DNA-Reste, so die Forscher, deren Theorie ist, dass die äußerst Temperatur-resistenten Mikroben im Meer trieben und von der erstarrenden Lava eingeschlossen wurden. Doch anstelle zu sterben, überlebten sie die heiße Phase und fanden danach im Gestein alle lebensnotwendigen Bestandteile wie Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff und eindringendes Meereswasser. Wenn Mikroben unter solchen Bedingungen leben können, gibt es eine Menge anderer Planeten, wo auch keine "schlechteren" Lebensumstände herrschen, so Fisk.

Dem Leben im Meeresboden auf den Grund gehen
An Bord der "Joides Resolution", die seit 1. Februar von San Diego in Richtung südöstlichen Pazifik und zur Küste Perus unterwegs ist, um zwei Monate lang Bohrkernproben vom Meeresgrund einzuholen, will man diesen Theorien nun im wahrsten Sinne auf den Grund gehen.

Besonders jene Plätze, an denen schon im Rahmen früherer Tiefseebohrungen Mikrobenspuren gefunden wurden, werden erneut besucht, um eine möglichst repräsentative Palette unterschiedlicher unterirdischer Klimazonen - von normal bis methanreich - zu bekommen und - dank der 13 Labors an Bord des Schiffes - gleich vor Ort untersuchen zu können. Auf die Ergebnisse darf man gespannt sein.