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Die Grenzen des Lebens

erstellt von eschick zuletzt verändert: 12.09.2016 13:00

Was sind die Grenzen für Leben in der Tiefe? Mit dieser Frage wird sich ein internationales Expeditionsteam beschäftigen, das im September mit dem japanischen Forschungsschiff CHIKYU zum Nankai-Graben vor der Küste Japans aufbricht. Mit an Bord ist auch ein Team von Geochemikern vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen.


Die CHIKYU ist das modernste Forschungsbohrschiff weltweit. (Bild: Luc Riolon/JAMSTEC)

Die CHIKYU ist das modernste Forschungsbohrschiff weltweit. (Bild: Riolon/JAMSTEC)

„In den kommenden 60 Tagen haben wir die einzigartige Möglichkeit, zu untersuchen, ab wann Temperaturen unter dem Meeresgrund zu heiß werden, so dass mikrobielles Leben nicht mehr möglich ist“, sagt MARUM-Wissenschaftlerin Dr. Verena Heuer, die die Expedition gemeinsam mit zwei japanischen Kollegen leiten wird. Der Meeresboden ist ein Lebensraum, in dem Organismen wie Würmer und Einzeller mit einer Vielzahl von Mikroben in Sedimenten zusammen leben. Bohrungen im Meeresboden haben gezeigt, dass mit jedem Meter unter dem Meeresgrund zunächst die Anzahl der mehrzelligen Organismen und dann auch die Zahl der Mikroorganismen abnimmt, doch bisher ist unbekannt, wo dieser Lebensraum endet.

Das Bremer Team der IODP-Expedition zum japanischen Nankai-Graben. (Bild: MARUM/V. Diekamp)Selbst in 2,5 Kilometern Tiefe sind noch etwa 100 Zellen pro Kubikzentimeter übrig. Das entspricht etwa 100 Sandkörnern, die in einem Olympia-Schwimmbecken schwimmen. Durch Geothermie nimmt die Temperatur mit der Tiefe im Meeresboden zu und Hitze könnte ein limitierender Faktor für die tiefe Biosphäre sein. Das Forschungsteam geht davon aus, dass sie bei der Bohrung einen Punkt erreichen, an dem nach bisherigem Wissensstand kein mikrobielles Leben möglich ist. Ziel ist es, die Grenze des Lebens im Detail zu bestimmen und die an ihr stattfindenden Prozesse zu erforschen.

Die Forscher arbeiten mit Bohrkernen. (Bild: Riolon/JAMSTEC)Verena Heuer knüpft gemeinsam mit ihren zwei Co-Fahrtleitern Dr. Fumio Inagaki und Dr. Yuki Morono vom Kochi Institute for Core Sample Research (Japan) an die Arbeit von Prof. Dr. Kai-Uwe Hinrichs vom MARUM an. „Diese Expedition ist so komplex wie eine Mission in den Weltraum sein könnte“, erklärt Hinrichs, der sich seit Jahren mit den Grenzen des Lebens im tiefen Untergrund beschäftigt und das wissenschaftliche Programm der Fahrt konzipiert hat. „Es erfordert die Technologie, um die Kernbohrkrone an der richtigen Stelle in mehr als vier Kilometer Wassertiefe abzusetzen, die alten Meeressedimente zu durchbohren, Proben weit unter dem Meeresboden zu gewinnen und sie intakt an Bord zurück zu bringen. Wie eine Weltraummission ist diese Expedition voller Komplexität und bietet eine große Chance für Entdeckungen.“

Die Expedition führt das internationale Forscherteam zum Nankai-Graben vor Japan. (Bild: Deep Carbon Observatory)Für die Bohrung wurde ein besonderer geologischer Ort ausgewählt: Im Nankai-Graben schiebt sich die pazifische unter die eurasische Platte und an der gewählten Lokation ist der geothermische Gradient besonders steil. „Hier können wir über die bislang bekannte Temperaturgrenze des Lebens hinwegkommen und bereits rund 1.200 Meter unterhalb des Meeresbodens Temperatureffekte untersuchen, wie sie sonst erst in Tiefen von 4.000 Metern vorkommen“, erklärt Heuer.

Die tiefe Biosphäre wird seit gut 30 Jahren erforscht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen herausfinden, welche Faktoren das Leben in der Tiefe ermöglichen, zum Beispiel Nährstoffe, Salzgehalt oder Temperatur, und wo genau die Grenze für mikrobielles Leben liegt. Bislang liegt die bekannte Grenze des Lebens bei einer Temperatur von ungefähr 120 Grad Celsius. „Es gibt viele Unbekannte über diese Masse des Lebens tief unter dem Meeresboden, einschließlich ihrer Vielfalt und die ihr Überleben limitierenden Faktoren“, erläutert Co-Fahrtleiter Dr. Fumio Inagaki.

 Anhand von Bohrkernen wollen Forscher herausfinden, bis zu welcher Temperatur Leben in der Tiefe möglich ist. (Bild: Deep Carbon Observatory)„Es gibt Organismen, die sich bei einer Temperatur von 80 Grad wohl fühlen. Sie nutzen Wasserstoff, um Energie zu gewinnen. Organisches Material brauchen sie nicht, das ist in diesen Tiefen häufig auch nur noch spärlich vorhanden“, erklärt Heuer. „Wir haben jetzt die außergewöhnliche Gelegenheit, eine Tiefe zu erkunden, in der Sedimente und Felsen für das Leben zu heiß werden – auch für Mikroben, denen es bei Temperaturen von mehr als 85 Grad gut geht.“ Anhand des Bohrkerns können die Forschenden die schrittweise Erhöhung der Temperatur von etwa 30 bis 130 Grad Celsius verfolgen – und so auch, wie sich das Zellvorkommen bei diesen steigenden Temperaturen verändert, bis es ganz verschwindet. Einige Proben wird das internationale Team an Bord der CHIKYU untersuchen. Empfindliche Proben werden per Helikopter in das Bohrkernlager nach Kochi geflogen, wo sie in einem besonderen Reinraum mit sehr empfindlichen Methoden untersucht werden können.

Das mikrobielle Leben vergleicht Verena Heuer mit dem Sternenhimmel. „Wir wissen, dass Sterne da sind, können sie aber nur sehen, wenn die Bedingungen stimmen und Observatorien mit der besten Technik ausgestattet sind. Genauso ist es auch mit den kleinsten Lebewesen unter dem Meeresgrund. Unser Ziel ist es, das Leben an diesem Rand der Welt sichtbar zu machen.“ Neben Verena Heuer sind auch die Bremer Geochemiker Dr. Susann Henkel, Dr. Florence Schubotz und Dr. Bernhard Viehweger im Expeditionsteam. Sie erforschen die kleinsten Zellen in der Tiefe und wie mikrobielle Lebensgemeinschaften hier zusammengesetzt sind.

An der Expedition im Rahmen des internationalen Ozeanbohrprogramms IODP (International Ocean Discovery Program) nehmen 31 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Nationen teil. Sie arbeiten vom 12. September zwei Monate lang parallel in den Schiffslaboren und in Laboren an Land.


Quelle: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften Bremen, September 2016