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7.9 – Submarine Hydrothermalquellen

Die Zirkulation von Meerwasser durch die Ozeankruste spielt eine wesentliche Rolle für den Stoff- und Wärmehaushalt unseres Planeten. Die Erde gibt etwa ein Drittel ihres Wärmeverlustes unmittelbar an das zirkulierende Meerwasser ab.

Chemische Reaktionen zwischen dem Meerwasser und der Ozeankruste sind für die Zusammensetzung der Ozeane ähnlich relevant wie Verwitterungs- und Abtragungsprozesse an Land. Zum Beispiel hängt die Bilanz des Kohlendioxids in den Ozeanen und der Atmosphäre auf langen Zeitskalen vor allem davon ab, wie viel Kalzium aus der Ozeankruste freigesetzt wird. Wenn Ozeankruste im Erdmantel versinkt, werden einzelne Elemente mit unterschiedlicher Effizienz in den Erdmantel zurückgeführt. Dabei spielen die Eigenschaften der ­Ozeankruste eine große Rolle, die durch hydrothermale Prozesse eingestellt wurden.

Lage bekannter Hydrothermalsysteme an ozeanischen Spreizungszentren sowie in Backarc-Becken und submarinen Inselbögen

Lage bekannter Hydrothermalsysteme an ozeanischen Spreizungszentren sowie in Backarc-Becken und submarinen Inselbögen. Gelbe Punkte markieren Systeme, die in Vulkaniten beherbergt sind. Grüne Punkte weisen auf den Einfluss sedimentärer Lithologien, rote auf die Präsenz ultramafischer Gesteine hin (Quelle: Wolfgang Bach (2007): Submarine Hydrothermalquellen – Treffpunkte von Geologie, Geochemie und Biologie. GMIT, Nr. 27)

Hydrothermale Reaktionen finden an vielen Stellen am Meeresboden statt: an den Spreizungsachsen, an Rückenflanken, an Seebergen sowie vor und über Subduktionszonen. Welche Tiere und Mikroben die hydrothermalen Quellen bewohnen, hängt von den physikalischen und chemischen Bedingungen ab. Da kein Sonnenlicht in die Tiefsee vordringt, hat sich an hydrothermalen Quellen eine besondere Stoffwechselstrategie ausgebildet, die Chemosynthese. Bei der Chemosynthese nutzen Organismen die Energie, die bei chemischen Reaktionen freigesetzt wird. An der Erdoberfläche geht quasi die gesamte Primärproduktion von Biomasse auf die Photosynthese zurück. In der Tiefsee kommt dagegen der Chemosynthese eine viel größere ökologische Bedeutung zu.

Schwarzer Raucher am Mittelatlantischen Rücken

Schwarzer Raucher am Mittelatlantischen Rücken (Quelle: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

In der globalen Bilanz spielen langsame und unscheinbare Austauschprozesse die größte Rolle. Die spektakulären Schwarzen Raucher, extrem heiße Hydrothermalquellen in der Tiefsee, rufen allerdings ein besonderes Interesse hervor. Heiße Hydrothermalquellen sind außerdem moderne Analogsysteme für hydrothermale Kupferlagerstätten wie zum Beispiel auf Zypern. Bei Temperaturen oberhalb von 350 Grad Celsius werden Buntmetalle, Eisen und Schwefel im Meerwasser gelöst und über einige Kilometer transportiert, bevor sich die heiße Lösung mit kaltem Meerwasser vermischt und die Metallsulfide am Meeresboden ausfallen. Aus diesen Lösungen wachsen nicht nur Erze. Auch Mikroorganismen, die gelösten Schwefelwasserstoff oxidieren, nutzen sie für die Chemosynthese. An Schwarzen Rauchern wächst auf engstem Raum eine enorme Biomasse. Hydrothermalquellen sind Oasen des Lebens in der ansonsten kargen Tiefsee. Symbiotische Beziehungen zwischen den schwefeloxidierenden Bakterien und Weichtieren spielen in Bio­topen, die bis zu 80 Grad Celsius heiß sind, eine besonders wichtige Rolle.

Black smoker

Geo- und Biowissenschaftler arbeiten gemeinsam an zahlreichen submarinen Hydrothermalsystemen. Diese umfassen „alte Bekannte“ wie Hydrothermalquellen am Juan-de-Fuca-Rücken im Nordwest-Pazifik. Diese Quellen werden schon seit zwei Jahrzehnten immer wieder aufgesucht, so dass dort inzwischen lange Zeitreihen entstanden sind. Diese Zeitreihe erlaubte es erstmals, ein Phänomen direkt zu beobachten, das aus Experimenten schon bekannt war: die so genannte überkritische Phasenseparation. Entscheidend dabei ist, ob die Phasenseparation unterhalb oder oberhalb des kritischen Punktes von Meerwasser stattfindet, der bei ca. 300 bar und 405 °C liegt. Bei der unterkritischen Phasenseparation (Sieden) bildet sich neben einer kontinuierlichen Flüssigphase mit hohen Salzgehalten eine diskontinuierliche Wasserdampfphase mit sehr geringen Salzgehalten.

Kopplungen von Geologie, Geochemie und Biologie

Druck-Temperatur Zustandsdiagramm mit der Zweiphasen-Kurve von Meerwasser und Phasendiagramm H2O-NaCl

Die obere Grafik zeigt das Druck-Temperatur Zustandsdiagramm mit der Zweiphasen-Kurve von Meerwasser. Hydrothermalfluide liegen in der Regel im subkritischen Feld, in Ausnahmen jedoch am Siedepunkt oder am kritischen Punkt. Das untere Phasendiagramm H2O-NaCl zeigt Solvus-Kurven für unterschiedliche Drücke. Je nach Druck und Temperatur entstehen Fluide mit unterschiedlichen Gas- und Salzgehalten (Quelle: Wolfgang Bach (2007): Submarine Hydrothermalquellen – Treffpunkte von Geologie, Geochemie und Biologie. GMIT, Nr. 27)

Tatsächlich treten an Schwarzen Rauchern häufig sichtbar siedende Fluide am Meeresboden aus. Die Phasenseparation bestimmt maßgeblich, welche Metalle und Nährstoffe zu den Mikroorganismen gelangen. Dies wird am Juan-de-Fuca-Rücken eindrucksvoll deutlich: Die Fluidgeochemie und die Biologie sind dort offensichtlich gekoppelt. Die hydrothermale Aktivität setzte 1991 nach einer großen Vulkaneruption ein. Zunächst traten gasreiche ­Fluide mit einem hohen Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu Eisen aus. Rasch entwickelten sich florierende Röhrenwürmerkolonien. Als die Fluide in den folgenden Jahren zunehmend gasärmer und salzreicher wurden, verkümmerten die Röhrenwürmerkolonien zunehmend. Das Fluid enthielt nicht mehr genug freien Schwefelwasserstoff für die sulfidoxidierenden Bakterien, mit denen die Würmer in Symbiose leben. Das später herrschende, sehr niedrige Verhältnis von Schwefelwasserstoff zu Eisen bevorteilte eisenoxidierende Bakterien. Nach einigen Jahren übersiedelte ein roter Bakterienrasen die abgestorbenen Röhrenwürmer. 2005 ereignete sich eine große Lavaeruption und ein neuer Zyklus begann. Dieses Beispiel zeigt, wie eng magmatische, hydrothermale und biologische Prozesse an mittelozeanischen ­Rücken gekoppelt sein können.

Am Juan-de-Fuca-Rücken und an anderen Hydrothermalquellen auf Basaltgestein scheint Schwefelwasserstoff die wichtigste Energiequelle für Lebewesen zu sein. Seit einigen Jahren sind aber auch Systeme bekannt, in denen Wasserstoff und Methan als Energiequelle dominieren. Zwei der bekanntesten sind das Lost City Hydrothermalfeld am Mittelatlantischen Rücken bei 30 Grad Nord und die Serpentin-Schlammvulkane im Marianen-Vorbogen. Diese Systeme zeichnen sich durch eine extrem hohe Alkalität aus. PH-Werte um 11 sind typisch und weisen auf eine Pufferung durch das Mineral Brucit hin, mit dem die Fluide gesättigt sind. Manche Quellen aus dem Marianen-Vorbogen haben noch höhere pH-Werte von bis zu 12,6. Das liegt daran, dass Methanbakterien in den Schlammvulkanen Karbonatalkalität in Hydroxidalkalität umwandeln. Die Mikroorganismen beziehen die benötigten Karbonationen aus Fluiden, die aus der subduzierten Platte freigesetzt werden. Plattentektonische Prozesse können also unmittelbare Auswirkung auf biologische Systeme haben. An anderen Subduktionszonen strömt Schwefeldioxid aus Magmen und reagiert zu Schwefelsäure. Das lässt den pH-Wert einiger Quellen im östlichen Manus-Becken bei Papua-Neuguinea auf unter 0,9 fallen. Mikroorganismen müssen mit Protonen- und Elektronenaktivitäten umgehen, die über viele Größenordnungen variieren. Protonen- und Elektronentransfers durch Zellmembranen spielen dabei eine zentrale physiologische Rolle. Es ist daher von großem Interesse, wie Mikroorganismen sich auf solche extreme Bedingungen einstellen.

Plattentektonik und Mikroorganismen

Mikroorganismen beuten ein Ungleichgewicht zwischen reduzierten und oxidierten Komponenten in ihrer Umgebung aus. Molekularer Wasserstoff stellt unter anaeroben Bedingungen häufig Elektronen in Redoxreaktionen zur Verfügung, die von Mikroben genutzt werden. Obwohl bei der Umsetzung von Wasserstoff sehr große Energiemengen frei werden, laufen Redoxreaktionen mit Wasserstoff nicht spontan ab. Mikroorganismen haben Enzyme, so genannte Hydrogenasen, entwickelt, die zum Beispiel die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser katalysieren. Mit diesen Enzymen kontrollieren sie auch, wie schnell die Redox-Reaktionen ablaufen und wie viel Material dabei umgesetzt wird. Die Mikroben nutzen die freiwerdende Energie, um Biomasse zu fixieren. Man kann empirische Ansätze verwenden, um eine Beziehung zwischen der anfallenden Energie und der Produktion von Biomasse herzustellen. Über solche thermodynamisch-bioenergetische Ansätze kann man eine Beziehung zwischen geochemischen Reaktionen und dem Zellwachstum herstellen. Man kann außerdem vorhersagen, welche Stoffwechsel-Reaktionen sich in einem bestimmten Milieu bioenergetisch lohnen. Wenn man zusätzlich noch die funktionellen Gene der mikrobiellen Konsortien molekularbiologisch erfasst, erhält man neuartige Einblicke in die Ökologie chemosynthetischer Lebensgemeinschaften.

Bioenergetik – Thermodynamik an der Schnittstelle zwischen Bio- und Geospäre

Die Rolle der Gibbsschen Energie in den Geo-Bio Beziehungen

Die Rolle der Gibbsschen Energie in den Geo-Bio Beziehungen (Quelle: Wolfgang Bach (2007): Submarine Hydrothermalquellen – Treffpunkte von Geologie, Geochemie und Biologie. GMIT, Nr. 27)

Für Mikroorganismen ist das Leben in der Nähe einer hydrothermalen Quelle nicht einfach, da sich chemische und physikalische Bedingungen dort sehr rasch ändern. Um mit diesen Bedingungen fertig zu werden, gehen einige Mikroben eine Symbiose mit einem Wirtstier ein. Das Tier bewegt sich so, dass Temperatur und Aktivität der kritischen chemischen Spezies in zuträglichen Bereichen liegen. Freilebende Mikroorganismen behelfen sich anders: Sie bilden einen so genannten Biofilm, das heißt, sie scheiden organische Makromoleküle aus, in denen sie sich einnisten, bewegen und sogar miteinander kommunizieren. Dadurch schaffen sie Mikromilieus, in denen sie die geochemischen Bedingungen beeinflussen können. Ein gutes Beispiel dafür sind eisenoxidierende Bakterien am Meeresboden. Bis weit in die 90er Jahre hinein glaubte niemand an ihre Existenz, weil das gelöste zweiwertige Eisen im Tiefseewasser durch andere, abiotische Prozesse oxidiert wird. Es stellte sich allerdings heraus, dass eisenoxidierende Bakterien in der Tiefsee überaus häufig anzutreffen sind, und das nicht nur an heißen Quellen. Um die abiotische Oxidation von Sulfiden oder Basalt aufzuhalten, überziehen die Bakterien die Oberflächen dieser Gesteine zunächst mit einem Biofilm. Unter dieser Schicht herrschen suboxische Bedingungen. Dort ist die Oxidation von zweiwertigem Eisen zwar möglich, läuft aber so langsam ab, dass die Bakterien die Oxidation enzymatisch kontrollieren können. Somit haben die Bakterien gezielt die Umwelt manipuliert, um ihrer Physiologie gerecht zu werden. Zudem beeinflussen die Mikroben auch Mineralisationsprozesse im System.

Bio-Geo Interaktionen in der Tiefsee

Neue Tiefseetechnologien haben die Entdeckung und Erkundung neuer Hydrothermalquellen beschleunigt. Zu diesen Technologien zählen Sonden, die vom Schiff aus eingesetzt werden und die Trübung des Wassers und die Temperatur messen. Sie ermöglichen es, hydrothermale Aktivität großräumig zu erfassen, ohne dass dabei die Austrittsstellen genau lokalisiert werden. In der Vergangenheit war die Entdeckung von Hydrothermalquellen oft dem Zufall überlassen. Einige dieser Systeme wurden in der Tat rein zufällig entdeckt, zum Beispiel das Lucky Strike (deutsch: Glückstreffer) Feld südlich der Azorenplattform. Heute werden Schiffssonden und autonome Tauchroboter gestaffelt eingesetzt, um Hydrothermalquellen zu lokalisieren. Anschließend setzt man ferngesteuerte Tauchroboter oder bemannte Tauchboote ein, um die Quellen zu beproben.

Tiefseetechnologie

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahme einer oxidierten Pyritoberfläche

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahme einer oxidierten Pyritoberfläche. Die Skalenbalken sind 10 Mikrometer lang. Ein Biofilm reguliert die Oxidation des Pyrits zu Ferrihydrit (Quelle: K.J. Edwards (2004): Formation and degradation of seafloor hydrothermal sulfide deposits. Geological Society of America Special Papers, 379, 83-96)

Wissenschaftliche Herausforderungen

Vor wenigen Jahren hielt man die geologischen und geochemischen Vorgänge an Hydrothermalquellen am Meeresboden für geklärt. Damals wiesen alle Untersuchungen darauf hin, dass die heißen ­Fluide durch die Reaktion von Meerwasser mit Basalt bei 350 bis 400 Grad Celsius gebildet werden. Es schien, dass sie eine einheitliche Zusammensetzung haben und diese über viele Jahre hinweg beibehalten. Inzwischen kennt man allerdings Hydrothermal­systeme, die sich geochemisch stark von den oben beschriebenen Basaltsystemen an mittelozeanischen Rücken unterscheiden. Daraus ergeben sich neue Entwicklungen und Fragestellungen. Im vergangen Jahrzehnt hat man an den Flanken von Rückenachsen und über Subduktionszonen Hydrothermalquellen gefunden, deren Chemie extrem variiert. Abschnitte von mittelozeanischen ­Rücken, die sich sehr langsam spreizen, sind in den Vordergrund der Hydrothermalforschung getreten. Denn dort ist der Erdmantel an einzelnen Stellen direkt am Meeresboden zugänglich. Es hat sich herausgestellt, dass Abschnitte, an denen das Mantelgestein Peridotit am Meeresboden zu finden ist, besonders häufig hydrothermale Aktivität aufweisen. Die dort austretenden Fluide enthalten sehr viel Wasserstoff und Methan. Diese Stoffe entstehen bei der Serpentinisierung, der Reaktion von Peridotit mit heißem Meerwasser. An Inselbögen befinden sich Hydrothermalsysteme, die sich durch eine enorme Spannweite in den geochemischen und physikalischen Bedingungen auszeichnen. Einige der Quellen sind extrem schwefelsauer, ihr pH-Wert liegt unter eins, während andere derart hohe CO2-Konzentrationen aufweisen, dass sich flüssiges Kohlendioxid am Meeresboden als eigene Phase abtrennt. Es zeichnet sich immer stärker ab, dass es eine direkte Beziehung zwischen plattentektonischen Prozessen und der Zusammensetzung von Hydrothermalfluiden gibt. Die Prozessabläufe und Massenflüsse in Hydrothermalsystemen sind aber weitgehend ungeklärt.

Die Fluide versorgen die Ökosysteme rund um die Hydrothermalsysteme mit Energie. Wie wirkt sich der Variantenreichtum der Fluide auf diese Organismen aus, und welche Bedeutung hat das für die globale Verteilung von Biomen? Solche Fragen haben eine neue Explorationsphase in der Hydrothermalforschung ausgelöst, bei der Geochemiker und Biologen extrem eng zusammenarbeiten. Spannende Fragestellungen sind: Bedingt chemische Diversität mikrobielle Diversität? Gibt es eine Biogeografie von Mikroorganismen oder von Genen? Welche Rolle spielt der Genaustausch zwischen den Ozeanen und der tiefen Biosphäre innerhalb der Erdkruste? Wie können sich Mikroorganismen auf die extremen geochemischen Bedingungen einstellen, und wie verändern sie dabei das geochemische Milieu? Welche geochemischen Reaktionen und metabolischen Strategien könnten auf der frühen Erde bedeutsam gewesen sein? Bilden sich komplexe organische Moleküle unter extrem reduzierenden Bedingungen auch abiotisch?

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:04 durch Jana Stone | Impressum