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Gesteinsformation unter Wasser

Die Grenzen des Lebens auf der Erde

Während bei der "Rosetta"-Mission nach außerirdischem Leben gesucht wird, sucht er nach unterirdischem: Der Biogeochemiker Kai-Uwe Hinrichs erforscht die tiefen Regionen unter dem Meeresboden. In einer Rekordtiefe von zweieinhalb Kilometern unter dem Meer lotet er die Grenzen des Lebens auf der Erde aus.

Biogeochemie 14.11.2014

An der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat Hinrichs im Rahmen der "Suess Lecture" über seine Weltrekord-Bohrexpedition vor der Küste Japans berichtet. Science.ORF.at hat den deutschen Wissenschaftler interviewt.

science.ORF.at: Derzeit blickt alle Welt gespannt darauf, welche Informationen das Minilabor "Philae" auf dem Kometen "Tschuri" liefern wird. Sie widmen sich nicht dem außerirdischen, sondern dem "unterirdischen" Leben, in der tiefen Biosphäre unter dem Meeresboden. Auch das wirft Fragen über Evolution und die Verbreitung von Leben auf - gibt es Zusammenhänge zwischen dem, was man dort und da finden kann?

Kai-Uwe Hinrichs: Zusammenhänge gibt es schon, ich würde aber nicht sagen, dass sie direkt sind. Die Systeme, die wir erforschen, sind letztendlich keine idealen Analoga zu jenen Systemen, in denen Leben entstanden sein könnte. Dort wo wir forschen, haben wir statt dessen gute Bedingungen, die Grenzen des Lebens auf der Erde zu erforschen.

Das ist natürlich ein Faktor, der direkt mit der Entstehung von Leben verknüpft ist. Die Frage nach der Grenze können wir aber eigentlich noch nicht beantworten. Es gibt obere Temperaturgrenzen, aber auch eine Reihe anderer Faktoren. Etwa die Energie, die einer Zelle zur Verfügung steht.

Kai-Uwe Hinrichs, MARUM, Hinrichs Lab, Biogeochemiker, Universität Bremen, Tiefseebohrung;

DFG

Zur Person:

Kai-Uwe Hinrichs ist Biogeochemiker und Leiter der Arbeitsgruppe Organische Geochemie Hinrichs Lab am MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen. Schwerpunkte seiner Arbeitsgruppe sind die tiefe Biosphäre, die Biogeochemie des Methans, Leben in extremen Milieus, die Entwicklung und Anwendung neuer geochemisch-analytischer Methoden, die Chemotaxonomie von mikrobiellen Membranlipiden und die Untersuchung der Paläoumwelt zu Zeiten globaler Störungen des Kohlenstoffkreislaufs.

Am Mittwoch, den 12.11.2014, war Kai-Uwe Hinrichs im Rahmen der Suess Lectures an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zu Gast.

Was hoffen Sie in der tiefen Biosphäre zu finden bzw. was haben Sie schon gefunden?

Wir sind interessiert an Faktoren, die das Leben auf der Erde beschränken. Zum Beispiel: Wie verändern Organismen Zellbausteine als Antwort auf die sehr stark, Energie limitierenden Bedingungen? Es interessieren uns aber auch quantitative Aspekte: Was macht die tiefe Biosphäre, welche Rolle spielt sie im globalen Kohlenstoffkreislauf?

Wir wissen, dass Sedimente generell ein wichtiges Medium im Kohlenstoffkreislauf sind, weil von dem Kohlenstoff, der dort in organischer Form versenkt wird, die entsprechenden Äquivalente an Sauerstoff übrig bleiben. Dieser Prozess ist entscheidend verantwortlich für die Akkumulation von Sauerstoff in der Atmosphäre im Laufe der Erdgeschichte.

Welche Art von Leben existiert überhaupt da unten, wie kann man sich das vorstellen?

Im Prinzip wissen wir es nicht. Wir wissen nur, dass das Leben in der tiefen Biosphäre extrem langsam ist, ganz nach dem Motto: "Life in the slow lane". Das kann man mithilfe geochemischer Messungen und den Zellzahlen herleiten. Im Vergleich zu Zellen aus dem Meer oder dem Labor sind die da unten millionenfach langsamer.

Das macht die Zellen auch so schwierig zu untersuchen, denn man kann sie sehr schwer aus der Tiefe hervorholen und im Labor untersuchen - das ist so gut wie unmöglich bisher. Wir müssen eigentlich mit sehr ähnlichen Methoden arbeiten, wie sie im Bereich der Astrobiologie genutzt werden. Das sind chemische Analyseverfahren und moderne Sequenzierungsmethoden, die letztendlich Auskunft darüber geben, wer da lebt und was die Organismen machen.

Können Sie auch etwas darüber sagen, welche Energie die Organismen in der tiefen Biosphäre nutzen?

In den Sedimenten wird organischer Kohlenstoff versenkt, das ist fossiles, biologisches Material, das durch geologische Prozesse verändert wird. Das sind sehr, sehr schwer verdauliche Überreste, und die Organismen sind in der Lage, dieses kleine bisschen Restenergie zu verwerten. In der Regel durch komplexe Netzwerke, symbiotische Gemeinschaften an Organismen, wo die Energie, die übrig ist, zwischen den verschiedenen Mitgliedern geteilt wird. Aber: Die Hauptlimitierung für das Leben in der tiefen Biosphäre ist die Energie.

Es ist zwar welche da. Was aber häufig fehlt, ist Sauerstoff, oft ist auch kein Sulfat da - das sind Substanzen, die für Respiration verwendet werden. Das heißt, die Organismen fermentieren - dabei werden größere Moleküle in kleinere heruntergebrochen. Das sind Beispiele für Reaktionen und dabei entstehen etwa Essigsäure und Wasserstoff.

Wie kann man sich Ihren Alltag als Forscher vorstellen? Bei Ihrem Vortrag haben Sie auch von Ihrer Bohrexpedition vor der Küste Japans berichtet.

Die Arbeit findet v.a. im Labor statt, wobei meine Gruppe eher mit analytisch-chemischen Methoden arbeitet. Wir versuchen aus biologischen Proben, Signale von Leben heraus zu extrahieren. Ganz ähnlich, wie es auch ein Marsforscher tun würde. Auch von der Herausforderung, Signale von Leben zu detektieren, ist es vergleichbar. Nur, dass wir natürlich - weil wir ein Heimlabor haben und nicht auf Sonden angewiesen sind - viel leistungsfähigere analytische Systeme haben.

Mit der Expedition vor Japan haben wir einen Weltrekord im wissenschaftlichen Bohren aufgestellt. Das war die tiefste Bohrung, die in den über 40 Jahren des internationalen Tiefseebohrprogramms durchgeführt wurde. Dabei konnten wir in ca. 2,5 Kilometer tief versenkte Tiefseesedimente, nah an die Grenzen der tiefen Biosphäre, vordringen. Nur die Erdölindustrie bohrt tiefer - aber die suchen natürlich nicht nach Leben.

Die Hauptherausforderung bei solchen Bohrungen ist, dass keine Kontamination der Proben passiert. Das ist nicht ganz trivial, weil wir in ein System vordringen, wo so gut wie kein Leben vorhanden ist und dabei mit zellreichem Meerwasser oder Bohrschlamm in Berührung kommen. Die große Herausforderung ist dann die Differenzierung von Signalen von Leben, die von der Oberfläche kommen und denen der tiefen Biosphäre.

Was sind die Ergebnisse aus dieser Bohrung: Haben Sie Leben gefunden?

Die Daten aus dieser Expedition sind noch unpubliziert, deshalb kann ich nicht alles verraten. Aber so viel kann ich sagen: Wir haben auf jeden Fall Spuren von Leben gefunden, in geochemischer Form und auch in Form von Zellen.

Was hat das, was man in dieser tiefen Biosphäre erfahren kann, konkret mit dem Leben darüber, also im Meer und oben, bei uns Menschen, zu tun?

Wenn wir an Schlüsselprozesse von Stoffkreisläufen denken, etwa das zur Verfügung stellen von Sauerstoff - daran sind immer Mikroorganismen beteiligt. Das ist im Ozean oder in flachen Sedimentensystemen sehr gut erforscht. Wenn wir nun an die tiefe Biosphäre denken, ist das nur ein Kontinuum, wo wir weiter hinuntergehen. Und dort gibt es verwandte Organismen, die diese Prozesse langsamer ausführen.

Aufgrund des Volumens der Sedimente ist es ein sehr großes Ökosystem. Als solches hat es zwar keine Auswirkungen auf den Zeitskalen, in denen wir denken. Denn wir denken ja im Wesentlichen in menschlichen Generationen, in denen beispielsweise CO2-Emissionen eine Rolle spielen. Oder der Klimawandel: Selbst im tiefen Ozean wird man heutzutage keine Auswirkungen davon messen können. Aufgrund der Durchmischung dauert es einfach viel länger, bis solche Prozesse "unten" ankommen. Auf längeren Zeitskalen können die Prozesse der tiefen Biosphäre jedoch bedeutende Auswirkungen haben.

Wird man dadurch vielleicht auch als Forscher geduldiger oder verändert sich das Zeitgefühl?

Das liegt in der Natur der Geowissenschaften, dass man ein anderes Gespür für Zeit bekommt. Für uns Menschen sind oft Dinge wichtig, die auf geowissenschaftlichen Zeitskalen gar nicht relevant sind. Wir denken eher in Zeitskalen von Jahrtausenden oder sogar Jahrmillionen.

Interview: Theresa Aigner, science.ORF.at

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