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Donnerstag, 23.03.2017
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„Dunkle Energie“ in der Tiefsee

Symbionten ermöglichen das Leben fernab vom Sonnenlicht

Alles Leben auf der Erde und im Meer hängt vom Licht der Sonne ab – so jedenfalls haben es die meisten noch in der Schule gelernt. Doch inzwischen ist klar, dass auch in mehreren tausend Metern Wassertiefe und somit fernab vom Sonnenlicht noch Leben existiert. Die Mikroorganismen ernähren sich im Dunkeln von energiereichen Stoffen, die aus dem Erdinneren strömen. Möglich machen dies symbiotische Bakterien, die Methan und Sulfide oxidieren und diese somit als Nährstoffe nutzbar machen.
Black Smoker

Black Smoker

Über weite Strecken erscheint der Boden der Tiefsee wie eine Wüste, denn nur sehr wenig Biomasse kommt von den oberen Schichten des Ozeans herab. Umso mehr waren die Meeresforscher überrascht, als sie vor fast genau 30 Jahren vor den Galapagos-Inseln die ersten Hydrothermalquellen mit ihren außergewöhnlichen Lebensformen in 2.500 Meter Wassertiefe entdeckten. So tief reicht kein Sonnenstrahl. Fast 400 Grad heißes Wasser strömt dort aus kaminartigen Schloten und bringt dabei Mineralien und Nährstoffe mit. Viele dieser Mineralien fallen aus und formen meterhohe Schlote. Die schwarze Farbe der Rauchfahne rührt vom ausgefällten Eisensulfid her und gibt diesen Schloten den treffenden Namen „Schwarzer Raucher“.

Rätselhaftes Tiefseeleben


Die Wissenschaftler zogen Bilanz und kamen zu einem überraschenden Ergebnis: Ein ganzer Zoo an exotischen Lebewesen hatte sich dort angesiedelt. Aber wovon ernähren sich diese Organismen? Dort unten gibt es schließlich keine photosynthetischen Organismen, die Biomasse produzieren könnten. Den Lebewesen bleibt nur eine Nahrungsquelle zur Verfügung, sie müssen ihre gesamte Energie und Nährstoffe aus dem ziehen, was die Hydrothermalquellen liefern: Schwefelwasserstoff, Sulfide und andere Salze von Eisen, Mangan und Kupfer, sowie Methan, Stickstoff- und Phosphorverbindungen.

Besonders bemerkenswert sind die hoch entwickelten Lebewesen wie Schnecken, Muscheln und Röhrenwürmer, die dort in großer Zahl leben. Im Gegensatz zu ihren Vettern im Flachwasser haben sie ihren Darmtrakt erheblich reduziert; die meterlangen Röhrenwürmer haben sogar weder Mund noch Darmausgang. Erst die mikrobiologische Untersuchung brachte es an den Tag. In ihrem Inneren siedeln besondere Mikroorganismen, die das von den Hydrothermalquellen kommende Methan oder Sulfid energetisch nutzen können und ihren jeweiligen Wirt versorgen. Nur dank dieser Symbiose mit den Methan oxidierenden und Sulfid oxidierenden Bakterien können diese Tiere dort leben.


Die Tiefseemuschel Bathymodiolus unter dem Mikroskop. Mit den spezifischen Sonden lassen sich die Methanotrophen (links) und die  Methylotrophen im Kiemengewebe der Muschel nachweisen.

Die Tiefseemuschel Bathymodiolus unter dem Mikroskop. Mit den spezifischen Sonden lassen sich die Methanotrophen (links) und die Methylotrophen im Kiemengewebe der Muschel nachweisen.

Outsourcing: Kein Mund, kein Darm, dafür Symbionten


Diese Symbiosen sind jedoch keine alleinige Spezialität der Tiefseebewohner. Als man in den 80iger Jahren begann, die Symbiosen in der Tiefsee zu analysieren, schauten auch andere Forscher genauer hin und wurden in flachen Küstensedimenten fündig. So beschäftigt sich am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie die Arbeitsgruppe Symbiose unter Leitung von Frau Dr. Nicole Dubilier intensiv mit den verschiedenen Symbiont-Wirts-Beziehungen. Dr. Dubilier ist Expertin für einen nahen Verwandten des Regenwurms. Diese darmlosen Oligochaeten leben in Flachwassersedimenten und haben es im Laufe ihrer Entwicklung geschafft, sich dank mikrobieller Symbionten ihres Verdauungs- und Ausscheidungstrakt zu entledigen.

Mit Genomik dem Geheimnis auf der Spur


Mit herkömmlichen Kultivierungstechniken konnten die Mikroorganismen jedoch nicht untersucht werden, denn sie sind untrennbar mit ihrem Wirt verbunden. Erst die Analyse der ribosomalen 16S RNA als Marker führte zum Ziel. Hat man diese RNA-Sequenzen, kann man mit farbig markierten Sonden die verschiedenen Symbiontenzellen im Wirtsgewebe anfärben und unterscheiden. Erst diese so genannte Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung (FISH) brachte den wissenschaftlichen Durchbruch.

Die Molekularbiologen verfolgten aber noch einen weiteren neuen Weg – die Metagenomik. Hierbei isolierten die Forscher zuerst die Gesamt-Erbsubstanz, also ein Gemisch aus Wirts- und Symbionten-DNA, zerkleinerten diese anschließend und klonierten diese Bruchstücke in besondere Klonierungsvektoren. Mit einem neu entwickelten mathematischen Algorithmus verglichen die Wissenschaftler um Nicole Dubilier dann die Häufigkeit der „Buchstaben“ der vier DNA Bausteine G, A, T und C in den Sequenzen und konnten diese den verschiedenen Organismen zuordnen. Die Überraschung war groß, als die Forscher mit diesem Ansatz vier verschiedene Arten von Mikroorganismen in dem Oligochaeten nachweisen konnten. Mit den rekonstruierten Genomen fanden sie heraus, wie diese Mikroorganismen sich gegenseitig und den Wirtsstoffwechsel beeinflussen.

Tiefsee-Quellen im Visier


QUEST - Multitalent der Tiefsee

QUEST - Multitalent der Tiefsee

Jetzt will Dr. Dubilier diese Methodik auch auf die Tiefseebewohner an den Hydrothermalquellen anwenden. Ihre Gruppe untersucht im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Schwerpunktprogramms SPP1144 die Lebensgemeinschaften in der Tiefsee. Im Gegensatz zum Flachwasser ist die Probennahme in mehreren tausend Meter Tiefe allerdings eine große Herausforderung. Unbemannte ferngesteuerte Roboter liefern per Datenkabel die Bilder in den Kontrollraum an Bord des Forschungsschiffs. Dort sitzen die Forscher und Techniker vor den Monitoren. Per Joystick steuern sie die Greifarme um Messgeräte zielgenau abzusetzen und um die Proben zu nehmen. Bisher konnten sie an fünf verschiedenen Tiefseestandorten die Muschel Bathymodiolus untersuchen.

Nicole Dubilier mit ihrer jungen Arbeitsgruppe am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie ist optimistisch: „Mit klassischer Mikrobiologie kommt man bei diesen Multi-Symbiont-Wirt-Systemen nicht weit. Die modernen Methoden wie Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung und 16S rRNA-Analytik sind gefragt. Damit haben wir schnell zuverlässige Daten, die dann zu überprüfbaren Modellen führen.“

Links


DFG-Schwerpunktprogramms 1144 "Vom Mantel zum Ozean: Energie-, Stoff- und Lebenszyklen an Spreizungsachsen"
Census of Marine Life: Biogeography of Deep-Water Chemosynthetic Ecosystems
Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie
(Manfred Schlösser, MPI für Marine Mikrobiologie, 06.07.2007 - AHE)
 
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