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10.5 – Extreme und unbekannte Habitate

Schon immer hat der Mensch versucht, weiße Flecken auf der Landkarte zu füllen. Dabei hat er zum einen nach geographischen Informationen gesucht, aber auch nach Wissen über Lebensräume und ihre Bewohner. Dank neuer, hoch auflösender geophysikalischer Methoden zur Kartierung des Meeresbodens und durch den Einsatz von Forschungs-U-Booten und Tauchrobotern werden im Meer immer häufiger neue Ökosysteme entdeckt.

Die Analyse dieser Lebensräume zeigt, dass das Meer kein einheitliches Ökosystem ist, sondern aus einer enormen Vielfalt von Geo-Bio-Systemen besteht. Bei Bohrungen in tiefe Boden- und Eisschichten sind zudem neue Lebensräume unbekannter Mikroorganismen entdeckt worden, die so genannte tiefe Biosphäre. Auf der Erde existieren zahlreiche extreme Lebensräume, zum Beispiel tiefe Sedimente, Salzlaken, saure oder basische Lösungen, Eis oder heiße Flüssigkeiten. Die Erforschung dieser Ökosysteme zeigt, wo die Grenzen des Lebens auf der Erde und auf anderen Planeten liegen. Sie trägt auch dazu bei, den Ursprung des Lebens zu verstehen. In verschiedenen Programmen arbeiten Geowissenschaftler und Biologen zu diesen Fragestellungen eng zusammen.

Geowissenschaftler als Entdecker

Chemosynthetische Lebensgemeinschaften an Hydrothermalquellen zählen zu den fremdartigsten Ökosystemen der Erde. Die schwarzen und weißen Schlote der Hydrothermalquellen entstehen, wenn heiße, mit Mineralien beladene Flüssigkeit aus dem Meeresboden tritt und mit dem kalten Meerwasser in Kontakt kommt. Solche Hydrothermalquellen liegen an den Spreizungsachsen der ozeanischen Platten, den mittelozeanischen Rücken. Für menschliche Maßstäbe ist dieser Lebensraum extrem: An den Hydrothermalquellen herrschen hohe Drücke und enorme Temperaturunterschiede, und das Wasser enthält große Mengen des giftigen Schwefelwasserstoffs. Die Ökosysteme sind vom Sonnenlicht und von der Photosynthese als Energiequelle weitgehend unabhängig. Vermutlich ist bisher nur ein Bruchteil dieser Ökosysteme bekannt. Neue Technologien der Meeresforschung, zum Beispiel unbemannte und autonome Unterwasserroboter, haben geholfen, extreme Lebensräume in großen Meerestiefen aufzuspüren. Sie zeigen auch, wie vielfältig und anpassungsfähig das Leben ist: Mikroorganismen nutzen jede noch so schwer zugängliche Energiequelle. Bisher sind die exotischen Lebensgemeinschaften an Hydrothermalquellen nur in den Ozeanbecken gemäßigter bis tropischer Breitengrade gefunden worden. Ob sie auch in polaren Tiefseebecken vorkommen, ist unbekannt.

Hydrothermalquellen

Bei der Erforschung der Kontinentalränder haben Geowissenschaftler ein spektakuläres neues Ökosystem entdeckt: riesige Kaltwasser-Korallenriffe. Sie kommen entlang des europäischen Kontinentalhangs und in tiefen Schelfgebieten bis zu einer Tiefe von tausend Metern vor, von der Iberischen Halbinsel bis zum Nordkap. Anders als ihre tropischen Verwandten leben die Kaltwasser-Korallenriffe nicht in Symbiose mit Algen, die Photosynthese betreiben. Sie ernähren sich heterotroph, indem sie Partikel aus der Wasserströmung aufnehmen. Die Kaltwasserkorallen erzeugen riesige Karbonatstrukturen. Diese Korallenhügel sind die größten von Lebewesen erzeugten Strukturen der tiefen Schelfe und Kontinentalränder. Die Kaltwasser-Korallenriffe bilden einen Lebensraum für eine Vielzahl von anderen Lebewesen, die auf hartem Untergrund wachsen. Andere Tiere finden in den Korallen Schutz und Nahrung. Fossile Kaltwasser-Korallenriffe sind ebenfalls interessant. Genaue Riffkarten dokumentieren, welchen Einfluss Faktoren wie Meeresspiegelschwankungen, Wassertiefe, Stürme und Sedimenteintrag ausüben. Nachdem das Ökosystem Kaltwasser-Korallenriffe entdeckt wurde, begannen Bemühungen, es zu schützen. Denn die Tiefsee-Fischerei bedroht diesen empfindlichen und nur langsam nachwachsenden Lebensraum.

Kaltwasser-Korallenriffe

Leben an den mittelozeanischen Spreizungsachsen. Die heißen Quellen an den Spreizungsachsen der Ozeane werden durch hoch angepasste Organismen wie chemosynthetische Muscheln (links) und hitzeliebende Bakterien (rechts) besiedelt. Erst seit kurzem können die Energie- und Stoffflüsse solcher extremer Lebensräume quantitativ untersucht werden, wie zum Beispiel im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1144 „Vom Mantel zum Ozean: Energie-, Stoff- und Lebenszyklen an Spreizungsachsen”
(Bildquelle: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

Die noch wenig bekannten polaren Ökosysteme sind durch den Klimawandel stark bedroht. Manche Regionen der Arktis erwärmen sich extrem schnell, das Meereis verschwindet unerwartet rasch und das Meerwasser versauert. In polaren Ökosystemen herrschen extreme Bedingungen. Die Temperaturen sind niedrig, die Umweltbedingungen schwanken zwischen den Jahreszeiten sehr stark und während der Polarnacht ist kein Licht als Energiequelle verfügbar. Diese Lebensräume reagieren daher wahrscheinlich besonders sensitiv auf natürliche und anthropogene Umweltveränderungen. Die polaren Ökosysteme schrumpfen, wenn sich die Erde erwärmt, da sie sich nicht auf der Erdkugel verschieben können. Die globale Erwärmung ist dabei nur eins von mehreren Problemen. Auch der zunehmende Siedlungs- und Nutzungsdruck durch die wachsende Weltbevölkerung gefährdet die Polargebiete.

Polare Ökosysteme

Kaltwasser-Korallenriffe am europäischen Kontinentalrand (Bildquelle: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

Die Polarregionen sind Schlüsselregionen der natürlichen Klima- und Umweltentwicklung. Schwankungen der Sonneneinstrahlung in den höheren Breiten der Nordhalbkugel steuerten beispielsweise die pleistozänen Vereisungszyklen. Die Tiefenwasserbildung im Nordatlantik prägt die Verteilung der Meeresströmungen. Der Temperaturunterschied zwischen Polen und Äquator treibt die atmosphärische und ozeanische Zirkulation an. Allerdings waren die Polarregionen bis in die junge geologische Vergangenheit warm. Dort herrschten teils subtropische Temperaturen.

Unter dem antarktischen Eisschild haben Geowissenschaftler in den letzten Jahren mehr als 160 größere Wasserkörper entdeckt. Diese faszinierenden Seen befinden sich unter mehrere tausend Meter dickem Inlandeis. Der Wostok-See ist mit 250 Kilometern Länge, etwa 50 Kilometern Breite und einer Tiefe von 500 Metern der berühmteste dieser verborgenen Seen. Forscher haben bisher noch keines dieser Gewässer angebohrt. Die tiefste Bohrung über dem Wostok-See hat allerdings gefrorenes Seewasser erreicht. Proben dieses Eises enthielten Spuren von Mikroben. Unter Umständen war diese Lebensgemeinschaft für viele Jahrmillionen nicht in Berührung mit der Atmosphäre. Ähnliche Lebensbedingungen wie in subglazialen Seen könnten auch auf eisbedeckten Monden wie Europa herrschen.

Seen unter mächtigem Eis

Wissenschaftliche Herausforderungen

Unbekannte und extreme Ökosysteme können nur mit einem erheblichen technischen Aufwand erforscht werden. Das Ziel der Erkundung besteht darin, die Lebensräume umfassend geographisch, geophysikalisch, chemisch und biologisch zu kartieren und Proben zu nehmen. Dieser Aufwand lohnt sich: Häufig werden bei solchen Forschungsprojekten völlig neue Lebewesen entdeckt. Außerdem wird es möglich, die Anpassungsfähigkeit, die Entwicklung und die Grenzen des Lebens besser zu verstehen. So lässt sich etwa herausfinden, welche Gene Organismen befähigen, extrem kalte, heiße, saure, basische oder saline Standorte zu besiedeln. Dies ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern auch für die angewandte Biotechnologie.

Große Flächen der Kontinente sind noch immer nicht vollständig untersucht, vor allem Polargebiete, Wüsten, Tundren und Regenwälder. Noch weniger ist über das Leben in den Ozeanen bekannt. Daher sind noch viele neue Entdeckungen zu erwarten. Eine neue Erkenntnis besteht zum Beispiel darin, dass es ähnliche Ökosysteme wie an Hydrothermalquellen auch in einiger Entfernung von den ozeanischen Spreizungsachsen gibt. Durch chemische Reaktionen zwischen Meerwasser und Mantelgesteinen entstehen dort große Mengen CO2, Wasserstoff und Methan. Diese Stoffe bilden die Lebensgrundlage für spezielle chemosynthetische Lebensgemeinschaften. Im Pazifik hat man andere Typen von Hydrothermalquellen und Gas-Austrittsgebieten entdeckt. Dort strömen große Mengen CO2 aus dem Boden, das sich in eisförmiges CO2-Gashydrat umwandelt. Anhand der dort vorhandenen Lebensgemeinschaften lässt sich erforschen, wie das Leben auf die Versauerung der Meere reagiert. An Kontinentalrändern existieren Oasen des Lebens, die den Lebensgemeinschaften an Hydrothermalquellen ähneln. Diese so genannten „kalten Quellen“ wurden erst in den letzten Jahren genauer untersucht. Die Lebensgemeinschaften siedeln sich da an, wo Gas oder Flüssigkeiten aus dem Meeresboden austreten. Das ist oft in der Nähe von Gashydratvorkommen der Fall. Geophysiker, Geologen, Geochemiker, Mineralogen, Mikrobiologen und Zoologen arbeiten derzeit auf internationaler Ebene zusammen, um ein möglichst vollständiges Bild dieser Lebensräume zu erhalten. Dabei wird untersucht, wie sich die Lebensgemeinschaften verändern, welche Bedeutung sie für die globalen Stoffkreisläufe haben und was für Erkenntnisse sie über die Grenzen des Lebens liefern können.

Oase des Lebens

Die Entdeckung der tiefen Biosphäre in der Erdkruste war eine der größten geowissenschaftlichen Sensationen des letzten Jahrzehnts. Diese Entdeckung hat gezeigt, dass wir einen großen Teil des Lebens auf der Erde bisher kaum kennen. Die tiefe Biosphäre ist neben der Tiefsee das größte zusammenhängende Ökosystem der Erde. Sie enthält ein Drittel der gesamten Biomasse auf der Erde. Das Leben in der tiefen Biosphäre scheint nur durch zwei Faktoren begrenzt zu sein: durch die Verfügbarkeit von Wasser und durch die Temperatur. Die tiefe Biosphäre existiert nur in den Bereichen der Erdkruste, in denen die Temperatur niedriger als 120 Grad Celsius ist. Bislang ist unklar, wie Mikroorganismen unter solchen Bedingungen vielleicht Jahrmillionen überleben können. Die Erforschung der tiefen Biosphäre wird daher dazu beitragen, das Verständnis des Stoffwechsels, der Biochemie und der Thermodynamik des Lebens in den nächsten Jahren wesentlich zu erweitern. Zahlreiche Forscher weltweit untersuchen derzeit, welche Mikroorganismen in welchen Gesteins- und Sedimentschichten vorkommen, wie diese Mikroorganismen sich ernähren und was für eine Funktion sie für die Elementkreisläufe, für die Mineralisierung und die Verwitterung haben. Geomikrobiologen haben erstmals einen festen Platz an Bord der Forschungs-Bohrschiffe. Sie verfügen über gut ausgestattete Labore, um diese große Wissenslücke zu schließen. Um einzelne Zellen auf Mikrometer-Skalen zu untersuchen, müssen Methoden wie Massenspektrometrie, Chromatographie, Mikroskopie, Element- und Gasanalytik, Chemosensorik sowie Umweltgenomik weiterentwickelt werden. Verschiedene Felder der Geowissenschaften profitieren von solchen technischen Fortschritten, zum Beispiel die Astrobiologie und die Kosmochemie, aber auch die Erforschung der frühen Erde.

Tiefe Biosphäre

Die tiefe marine Biosphäre

Die tiefe marine Biosphäre: Dass Mikroorganismen auch in alten, tief begrabenen Sedimenten intakt und
lebensfähig sind, zeigen mikroskopische Aufnahmen und geochemische Analysen von labilen Molekülen,
die nach dem Zelltod rasch zerfallen; z.B. der genetische Informatiosträger Ribonukleinsäure, der hier durch
Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung rot-leuchtend mikroskopisch sichtbar gemacht wurde, und intakte
Membranlipide, die massenspektrometrisch identifiziert werden. Die tiefe Biosphäre, deren Ausdehnung
vermutlich auf Bereiche mit Temperaturen <120°C beschränkt ist, ist neben dem ozeanischen Tiefenwasser
das größte zusammenhängende Ökosystem der Erde. Die Entdeckung der tiefen Biosphäre wirft eine Reihe
von wissenschaftlichen Fragen auf, unter anderem welche Rolle die tiefe Biosphäre im globalen Kohlenstoffkreislauf
spielt (Quelle: Verena Heuer, MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:06 durch Jana Stone | Impressum