Mengenlehre auf dem Meeresgrund

30. November 2010, 19:41
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Verbrauchen Bakterien in der Tiefsee womöglich geringere Kohlenstoffmengen, als man bisher glaubte?

Der Wiener Meeresbiologe Gerhard Herndl erforscht den mysteriösen mikrobiellen Stoffhaushalt der Ozeane.

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Auch wenn das Wasser noch so klar ist: In den Weltmeeren herrscht spätestens ab 800 Metern Tiefe totale Finsternis. Und diese dunklen Gefilde sind voller Geheimnisse. Immer wieder entdecken Wissenschafter neue, oft bizarr anmutende Tierarten, die dort unten leben.

An heißen unterseeischen Quellen haben sich einzigartige Ökosysteme entwickelt, deren Energieversorgung auf dem bakteriellen Abbau von Schwefelverbindungen basiert. Versunkene Walkadaver wiederum dienen anderen spezialisierten Lebensgemeinschaften als Nahrungsgrundlage. Doch diese und weitere Phänomene finden sich auf dem Meeresgrund. Über die Wassersäule der Tiefsee ist noch viel weniger bekannt als über dessen Boden, betont der Meeresbiologe Gerhard Herndl von der Universität Wien im Gespräch mit dem STANDARD. "Unter anderem, wie die Biochemie darin funktioniert."

Mit genau diesem Thema befasst sich Herndl schon seit Jahren. Er erforscht vor allem die mikrobielle Ökologie der Tiefsee, also wie Bakterien den Stoffhaushalt dieser finsteren Wassermassen bestimmen. Ein Feld mit vielen offenen Fragen. Was genau passiert dort unten zum Beispiel mit Kohlenstoffverbindungen, die als organisches Material aus den oberen Wasserschichten absinken? Fachleute bezeichnen dies als die "biologische Pumpe". Anorganisches CO2 wird in Oberflächennähe von den Primärproduzenten, hauptsächlich einzelligen Algen, aufgenommen und in organischer Materie gebunden. So entsteht Biomasse. Es ist der Anfang der Nahrungskette. Totes und Ausgeschiedenes sinkt nach unten, die Reste werden vom Trillionenheer der Bakterien verwertet. Sie zersetzen das organische Material und geben dabei CO2 ins Wasser ab. Der Kreis schließt sich.

Allerdings nicht ganz. Ein kleiner Anteil der organischen Partikel landet im Bodenschlick und kann so im Sediment eingelagert werden. Viel größer ist dafür die Menge Kohlenstoff, die in löslichen Substanzen, "Recalcitrant Dissolved Organic Matter" (RDOM), über lange Zeit im Meereswasser verbleibt. 662 Gigatonnen davon sind laut Expertenberechnung in den Ozeanen der Welt gespeichert. Zum Vergleich: Die Erdatmosphäre enthält zur Zeit 750 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von CO2.

Schwieriger Abbau

Erstaunlicherweise wird RDOM kaum von Mikroorganismen verwertet. C14-Analysen haben gezeigt, dass diese gelösten Moleküle durchschnittlich 4000 bis 6000 Jahre alt sind (vgl. Nature, Bd. 352, S. 667). Ihr Abbau ist offensichtlich äußerst schwierig. Vielleicht, sagt Gerhard Herndl, verändert sich die räumliche Molekularstruktur unter Einfluss des gewaltigen Wasserdrucks. Das würde ihre Zerlegung durch mikrobielle Enzyme stark behindern.

Vermutlich können auch andere Stoffe mit den organischen Molekülen in Verbindung treten und sie so vor bakteriellem Zugriff schützen. Herndl vergleicht dies mit dem Prozess des Gerbens, bei der sich Tannine an den tierischen Proteinen anlagern und das Leder dadurch konservieren. Die Tiefsee als riesiges biochemisches Reaktionsgefäß, mit "Kombinationsmöglichkeiten in unendlicher Zahl", sagt der Leiter des Departments für Meeresbiologie der Uni Wien.

Kohlenstoffspeicher

Die Entstehung von RDOM selbst ist ebenfalls noch nicht eingehend geklärt. Es sind Lipopolysacchariden darunter und D-Aminosäuren. Ein großer Teil der gelösten Stoffe entstammt möglicherweise Bakterienzellen, die von Viren infiziert wurden und geplatzt sind. Sicher scheint jedenfalls: Mikroben dürften für die Bildung des enormen ozeanischen RDOM-Kohlenstoffreservoirs von zentraler Bedeutung sein.

Aus diesem Grund haben Gerhard Herndl und weitere internationale Experten gemeinsam das Modell einer "mikrobiellen Kohlenstoffpumpe" vorgeschlagen. Diese sei der klassischen "biologischen Pumpe" zur Seite zu stellen, um so ein besseres Verstehen der Chemie der Weltmeere und ihrer Funktion als Kohlenstoffspeicher zu ermöglichen. Was im Wasser ist, kann nicht als CO2 in der Atmosphäre den Treibhauseffekt verstärken. Der Einfluss der Ozeane auf das globale Klima beruhe demnach wohl überwiegend auf dem Wirken von Mikroorganismen, schrieb das Forscherteam kürzlich im Fachblatt Nature Reviews Microbiology (Bd. 8, S. 593).

Die Idee einer mikrobiellen Kohlenstoffpumpe erscheint überzeugend, aber viele Puzzlestücke fehlen noch. Welchen Einfluss hat zum Beispiel der Wasserdruck auf die Aktivität von Bakterien? "In der Tiefsee herrscht anscheinend ein wesentlich höherer Bedarf an organischem Kohlenstoff, als das, was dort runter rieselt", erklärt Gerhard Herndl.

Er glaubt jedoch, dass der Stoffwechsel von tiefseebewohnenden Mikroorganismen durch Druck gehemmt wird und deshalb weniger verbraucht wird, als bislang angenommen wurde. Man muss deshalb den bakteriellen Metabolismus unter Realbedingungen testen, meint Herndl. In Druckkammern also.

Millionenförderung

Die hohe Qualität von Gerhard Herndls Studien wurde Anfang November vom Europäischen Wissenschaftsrat ERC anerkannt. Dieser gewährte dem Meeresbiologen einen der renommierten "ERC Advanced Grants", eine fünfjährige Förderung in Höhe von 2,5 Millionen Euro. Das Geld wird in bereits geplante Forschungsprojekte zum Thema mikrobielle Tiefsee-Ökologie fließen. Herndl freut sich: "Mit diesen zusätzlichen Mitteln kann man wesentlich mehr machen."

Ein Tagebuch von Gerhard Herndls jüngster Expedition, die auf dem Forschungsschiff Pelagia 4200 Kilometer über den Atlantik führte, ist in der Online-Zeitung der Universität Wien nachzulesen. (Kurt de Swaaf/DER STANDARD, Printausgabe, 01.12.2010)

 

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    Je tiefer der Ozean, desto dunkler die Vorgänge: Meeresbiologen untersuchen, was sich auf dem Boden der Tiefsee abspielt - und was das für Klima und Ökologie bedeutet.

  • Gerhard Herndl arbeitet daran, die Biochemie der Weltmeere besser zu verstehen.
    foto: a. bochdansky

    Gerhard Herndl arbeitet daran, die Biochemie der Weltmeere besser zu verstehen.

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