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Or­ga­ni­scher Koh­len­stoff im Ata­ca­ma-Gra­ben – Blog­post 8 vom 27. März 2018

von Manfred Schlösser

For­schungs­schiff Son­ne, Chi­le
27. März 2018

Logo der Expedition SO261

Das For­schungs­schiff Son­ne ist auf dem Weg zu den letz­ten Pro­be­nah­me­stel­len. Heu­te Mor­gen war der Him­mel be­deckt, die Tem­pe­ra­tu­ren la­gen um 20 Grad Cel­si­us. Wir lie­gen etwa 60 See­mei­len nord­west­lich der chi­le­ni­schen Stadt An­to­fa­gasta und ge­ra­de ist un­se­re Ha­dal-CTD-Ro­set­te ist wie­der an Deck, nach dem sie Bo­den­was­ser in 7700 Me­ter Tie­fe ge­sam­melt hat. Jetzt ste­hen die Wis­sen­schaft­ler Schlan­ge, um ihre Was­ser­pro­ben zu ent­neh­men.

Proben aus dem Atacama-Graben

Die Ozea­ne sind vol­ler Le­ben. In je­dem Li­ter Meer­was­ser le­ben etwa eine Mil­li­ar­de Mi­kro­ben. Tief un­ten im Tief­see­gra­ben ist es et­was we­ni­ger, aber im­mer­hin noch zehn Mil­lio­nen. Wis­sen­schaft­ler be­rech­ne­ten, dass alle ge­lös­ten or­ga­ni­schen Stof­fe im Meer eine ähn­li­che Men­ge an Koh­len­stoff ent­hal­ten wie alle Bio­mas­se an Land. Für Tief­see­grä­ben ist es noch ein un­ge­lös­tes Rät­sel, wo­her die­ser or­ga­ni­sche Koh­len­stoff stammt. Wis­sen­schaft­ler an Bord der Son­ne ha­ben her­aus­ge­fun­den, dass die Se­di­men­te des Tief­see-Ata­ca­ma-Gra­bens sehr ak­tiv sind. Die­se Ak­ti­vi­tät spie­gelt sich im stei­len Sau­er­stoff­pro­fil in den obe­ren Tei­len der Se­di­men­te wi­der. Mi­kro­ben, die or­ga­ni­sche Stof­fe ab­bau­en, ver­brau­chen Sau­er­stoff, der aus der Was­ser­säu­le in die Se­di­men­te ein­ge­drun­gen ist.

Wissenschaftler entnehmen Wasser aus der CTD-Rosette, die gerade aus 7700 Metern Tiefe wiedergekehrt ist.
Wissenschaftler entnehmen Wasser aus der CTD-Rosette, die gerade aus 7700 Metern Tiefe wiedergekehrt ist. (MPIMM/M. Schlösser)
Probenahme im Atacama-Graben mit (a) einer CTD Rosette für Wasserproben aus verschiedenen Tiefen, (b) und (c) einem Multicorer für Sedimentproben. Deutlich erkennbar ist die Schichtung in den Kernen bei (b) und (c).
Probenahme im Atacama-Graben mit (a) einer CTD Rosette für Wasserproben aus verschiedenen Tiefen, (b) und (c) einem Multicorer für Sedimentproben. Deutlich erkennbar ist die Schichtung in den Kernen bei (b) und (c). (MPIMM/M. Schlösser)

Das Nahrungsnetz

Im obe­ren Teil der Was­ser­säu­le ist Licht, die En­er­gie­quel­le für die Koh­len­stoff­fi­xie­rung in der Pho­to­syn­the­se. Im Ge­gen­satz zu Pflan­zen, die dazu Koh­len­di­oxid aus der Luft ver­wen­den, ver­wen­den ma­ri­ne au­to­tro­phe Le­be­we­sen wie Al­gen ge­lös­tes Bi­c­ar­bo­nat - das ist die io­ni­sier­te Form des Koh­len­di­oxids - als Koh­len­stoff­quel­le. Dies ist der Aus­gangs­punkt der Nah­rungs­ket­te, denn die­ser fi­xier­te Koh­len­stoff trägt zur Bio­mas­se bei. Wenn die Be­din­gun­gen güns­tig sind, d.h. Licht und Nähr­stof­fe vor­han­den sind, be­gin­nen Al­gen im Was­ser zu wach­sen. Wenn die­se Al­gen­blü­ten ab­klin­gen, ster­ben die Zel­len ab und die to­ten Zel­len sin­ken zum Mee­res­bo­den. Auf dem lan­gen Weg nach un­ten tun sich an­de­re Mi­kro­or­ga­nis­men dar­an güt­lich und zer­set­zen den größ­ten Teil der Bio­mas­se. Die­se Mi­kro­ben neh­men die aus den to­ten Zel­len aus­tre­ten­den Sub­stan­zen als Quel­le für Koh­len­stoff, En­er­gie und Nähr­stof­fe. Sie wer­den „He­te­ro­tro­phe“ ge­nannt und sind das For­schungs­ge­biet von Lo­gan Peop­les von der Scripps In­sti­tu­ti­on of Ocea­no­gra­phy in San Die­go.

Lo­gan Peop­les un­ter­sucht die In-vivo-De-novo-Syn­the­se von Pro­te­inen un­ter dem ho­hen Druck von 800 bar in 8000 Me­tern Tie­fe, um die Um­satz­ra­ten zu be­rech­nen. Er möch­te her­aus­fin­den, wie schnell he­te­ro­tro­phe Mi­kro­or­ga­nis­men neue Pro­te­ine pro­du­zie­ren kön­nen und wie hoch der Ein­fluss des Was­ser­drucks auf die­se Ge­schwin­dig­keit ist.

Sein Ex­pe­ri­ment sieht fol­gen­der­ma­ßen aus: Es be­steht aus ei­nem Stahl­zy­lin­der, der Bo­den­was­ser in ei­ner be­stimm­ten Tie­fe sam­melt. Der Zy­lin­der ist aus­ge­stat­tet mit Ven­ti­len und ei­ner Vor­rich­tung zum In­ji­zie­ren von Tra­cer­mo­le­kü­len. Mi­kro­or­ga­nis­men im Bo­den­was­ser des Ata­ca­ma-Gra­bens sind an die 800 Bar in 8000 Me­tern Tie­fe an­ge­passt. Wenn sich die Ven­ti­le öff­nen, tritt das Bo­den­was­ser in den Zy­lin­der ein, und die dar­in ent­hal­te­nen Mi­kro­ben wer­den mit ei­ner spe­zi­ell mar­kier­ten Ami­no­säu­re ge­füt­tert. Wenn sie an­fan­gen zu wach­sen, bau­en sie die­se Fluo­res­zenz­mar­kie­rung in neu syn­the­ti­sier­te mi­kro­bi­el­le Pro­te­ine ein. Am Ende des Ex­pe­ri­ments lan­den die Mi­kro­ben auf ei­nem Fil­ter. Zählt man die mar­kier­ten Zel­len un­ter ei­nem Fluo­res­zenz­mi­kro­skop, kann man die Syn­the­se­ra­te be­rech­nen. In der Theo­rie müss­ten die Syn­the­se­ra­ten in den Tie­fen der Ha­dal­um­ge­bung si­gni­fi­kant er­höht ge­gen­über nied­ri­gen Dru­cken sein. Lo­gan Peop­les’ Ziel ist es, den Ein­fluss des Drucks auf mi­kro­bi­el­le Ge­mein­schaf­ten zu er­for­schen.

Wie man den Weg der Teilchen durch die Wassersäule verfolgen kann - natürlich vorkommende radioaktive Substanzen als Marker

Wie schon in ei­nem frü­he­ren Bei­trag er­wähnt, klum­pen die Res­te von to­ten Zel­len zu­sam­men und bil­den Ag­gre­ga­te, die Schnee­flo­cken äh­neln. Die­ser Mee­res­schnee er­reicht schließ­lich den Mee­res­bo­den und dient als Nah­rungs­quel­le für an­de­re Mi­kro­ben im Se­di­ment. Wie schnell die­ser ver­ti­ka­le Teil­chen­trans­port ist, kann mit­hil­fe na­tür­lich vor­kom­men­der Iso­to­pe in der Was­ser­säu­le be­rech­net wer­den.

Die­se Iso­to­pe sind in ex­trem nied­ri­gen Kon­zen­tra­tio­nen vor­han­den. Sie stam­men nicht von Atom­re­ak­to­ren, aus Un­fäl­len oder Le­cka­gen, son­dern sind schon im­mer Teil der Na­tur auf der Erde ge­we­sen. Es ist be­kannt, dass im Meer­was­ser im­mer eine kon­stant nied­ri­ge Kon­zen­tra­ti­on an 238Uran vor­liegt. Wenn es zer­fällt, ent­steht 234Tho­ri­um, das dann stark an Par­ti­kel wie den Mee­res­schnee bin­det. Sei­ne Halb­werts­zeit be­trägt nur 24,1 Tage. Wenn die­se Teil­chen mit dem ge­bun­de­nen Tho­ri­um se­di­men­tie­ren, ent­fer­nen sie folg­lich fort­wäh­rend 234Tho­ri­um aus der Was­ser­säu­le und fü­gen 234Tho­ri­um dem Se­di­ment hin­zu. Da­her sind die Kon­zen­tra­ti­ons­ver­hält­nis­se von Tho­ri­um zu Uran in den Se­di­men­ten und der Was­ser­säu­le ein gu­ter In­di­ka­tor für den Par­ti­kel­fluss in der Was­ser­säu­le. Die­ser ver­ti­ka­le Par­ti­kel­fluss kann je­doch durch Un­ter­was­ser­geo­gra­phie be­ein­flusst wer­den, da Klip­pen und Grä­ben als hydro­dy­na­mi­sche Hin­der­nis­se lo­ka­le Ge­zei­ten­strö­me ver­ur­sa­chen kön­nen.

Ro­bert Tur­ne­witsch von der Scot­tish As­so­cia­ti­on for Ma­ri­ne Sci­ence (SAMS) un­ter­sucht die­se Pro­zes­se seit über zehn Jah­ren und war Teil­neh­mer an meh­re­ren an­de­ren wis­sen­schaft­li­cher Ex­pe­di­tio­nen zu Tief­see­grä­ben, bei­spiels­wei­se dem Ton­ga-Gra­ben. Er sagt: "Aus an­de­ren Tief­see­grä­ben wis­sen wir, wie un­ge­wöhn­lich ak­tiv sie sind. Hier auf die­ser Ex­pe­di­ti­on in den Ata­ca­ma-Gra­ben be­kom­men wir sehr gute Ker­ne vom Mee­res­bo­den. Ich schnei­de die Ker­ne in Seg­men­te. Dann ex­tra­hie­re ich das ra­dio­ak­ti­ve Ma­te­ri­al. Dies ma­che ich auch mit Was­ser­säu­len­pro­ben. Aber ich muss mich in Ge­duld üben. Um die ver­schie­de­nen Iso­to­pe mit un­ter­schied­li­chen Halb­werts­zei­ten un­ter­schei­den zu kön­nen, muss ich die nied­ri­ge Strah­lung in mei­nen Pro­ben über ein paar Mo­na­te ver­fol­gen. Sind die kurz­le­bi­gen Iso­to­pe zer­fal­len, kann ich die ein­zel­nen Kon­zen­tra­tio­nen be­rech­nen. Wir wer­den die end­gül­ti­gen Er­geb­nis­se also erst in ein paar Mo­na­ten er­hal­ten. "

Partikel auf dem Weg nach unten. Die Sonne ist die Energiequelle für die Photosynthese in der oberen Wassersäule. Tote Zellen bilden Aggregate und sinken ab. Mit Erdrutschen kommen Sedimente von höher gelegenen Stellen in die Tiefen des Grabens. Wissenschaftler verwenden natürlich vorkommende Isotope, um diese Prozesse zu untersuchen.
Partikel auf dem Weg nach unten. Die Sonne ist die Energiequelle für die Photosynthese in der oberen Wassersäule. Tote Zellen bilden Aggregate und sinken ab. Mit Erdrutschen kommen Sedimente von höher gelegenen Stellen in die Tiefen des Grabens. Wissenschaftler verwenden natürlich vorkommende Isotope, um diese Prozesse zu untersuchen. (Skizze: Manfred Schlösser)
Bioturbation nennt man das, was einige Tiere im Sediment tun, wenn sie ihre Wohnhöhlen graben. (A) Bioturbation hinterlässt eine verräterische Signatur im 210Pb-Profil. (B) Ungestörtes Sedimentprofil von 210Pb.
Bioturbation nennt man das, was einige Tiere im Sediment tun, wenn sie ihre Wohnhöhlen graben. (A) Bioturbation hinterlässt eine verräterische Signatur im 210Pb-Profil. (B) Ungestörtes Sedimentprofil von 210Pb. (Skizze Manfred Schlösser)

Sein ja­pa­ni­scher Kol­le­ge Ka­zu­ma­sa Ogu­ri von JAMS­TEC ver­wen­det ein an­de­res na­tür­lich vor­kom­men­des ra­dio­ak­ti­ves Iso­top. 210Pb bzw. Blei ist eben­falls über­all in ge­rin­ger Kon­zen­tra­ti­on vor­han­den. Sei­ne Kon­zen­tra­ti­on ist aber aus­rei­chend, um die Ge­schich­te des Mee­res­bo­dens zu stu­die­ren. Die­ses Blei la­gert sich an se­di­men­tie­ren­de Par­ti­keln an und lan­det so auf dem Mee­res­bo­den. Es zer­fällt mit ei­ner Halb­werts­zeit von 22,3 Jah­ren. Be­trach­tet man das Tie­fen­pro­fil ver­schie­de­ner Stand­or­te des Ata­ca­ma-Gra­bens, wird die un­ter­schied­li­che Se­di­men­ta­ti­ons­ge­schich­te sicht­bar.

Ka­zu­ma­sa Ogu­ri sagt: "Mit un­se­rer Me­tho­de se­hen wir, was im Se­di­ment pas­siert ist. Manch­mal ver­än­dern dort le­ben­de Tie­re auf­grund von Bio­tur­ba­ti­on die Tie­fen­pro­fi­le von Blei. Wenn sie Gän­ge bau­en, durch­mi­schen sie das Se­di­ment. Da­durch misst man  in die­sen Bio­tur­ba­ti­ons­zo­nen ei­nen kon­stan­ten Ge­halt an Blei. Nur un­ter­halb die­ser Zo­nen be­ob­ach­ten wir eine Ab­nah­me des Blei­pro­fils in Ab­hän­gig­keit von sei­nem ra­dio­ak­ti­ven Zer­fall. Auch se­hen wir, wel­che Spu­ren un­ter­see­ische Erd­rut­sche im Pro­fil hin­ter­las­sen ha­ben. Da­bei ha­ben wir ge­se­hen, dass die Pro­fi­le ähn­lich wie bei der Bio­tur­ba­ti­on ver­än­dert wur­den. Hier im Ata­ca­ma-Gra­ben wol­len wir do­ku­men­tie­ren, wo Se­di­men­te von den Schul­tern des Gra­bens ab­ge­rutscht sind." Für sei­ne For­schung brach­te Ka­zu­ma­sa Ogu­ri meh­re­re hoch­auf­lö­sen­de Un­ter­was­ser­ka­me­ras mit, um sich ei­nen Ein­druck von der Mee­res­bo­den-To­po­gra­phie zu ver­schaf­fen.

Chemosynthese statt Photosynthese

Un­ter­halb der pho­ti­schen Zone kön­nen Le­be­we­sen kein Licht zur Fi­xie­rung von Koh­len­stoff ver­wen­den. An­stel­le der Pho­to­syn­the­se ver­wen­den be­stimm­te Ar­chae­en und an­de­re Bak­te­ri­en die in che­mi­schen Ver­bin­dun­gen ge­spei­cher­te En­er­gie (z.B. Am­mo­ni­ak, eine re­du­zier­te Stick­stoff­ver­bin­dung), um Koh­len­stoff zu fi­xie­ren. Wie viel die­se Che­mo­syn­the­se zum ge­sam­ten or­ga­ni­schen Koh­len­stof­f­e­in­trag in das Gra­ben­sys­tem bei­trägt, ist die wis­sen­schaft­li­che Fra­ge un­se­rer Kol­le­gin Xin­Xin Li von der Sou­thern Uni­ver­si­ty of Sci­ence and Tech­no­lo­gy in Chi­na. Die Bio­mas­se aus der Che­mo­syn­the­se wird auch zum Teil wie­der ver­at­met. In wel­chem Aus­maß dies ge­schieht, ist noch nicht be­kannt. Da­her ist es von wis­sen­schaft­li­chem In­ter­es­se, auch die­se Koh­len­stoff­bi­lanz zu be­rech­nen. 

Was mit den wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Expedition passiert

Alle wäh­rend der Ex­pe­di­ti­on ge­sam­mel­ten Da­ten wer­den in öf­fent­lich zu­gäng­li­chen wis­sen­schaft­li­chen Zeit­schrif­ten und Da­ten­ban­ken ver­öf­fent­licht. 

Grü­ße von der Crew und der wis­sen­schaft­li­chen Crew von So261, 

Man­fred Schlös­ser

 Spe­zi­fi­sche Fra­ge­stel­lun­gen die­ser For­schungs­rei­se sind:

  • Welche sedimentären Prozesse liefern die Nahrung für die hadale Lebensgemeinschaft im Atacamagraben?

  • Wie unterscheiden sich der Artenreichtum, die Diversität und die Gemeinschaftsstruktur von Mikroorganismen, der Meio- und Makrofauna im Atacamagraben von Gräben in weniger produktiven Regionen und nahegelegenen Tiefsee- und Schelfgebieten?

  • Was sind die generellen biogeochemischen Charakteristika des Oberflächen- und Tiefensediments sowie der Wassersäule im eutrophen Atacamagraben?

  • Wie genau verläuft die Mineralisierung bei der Zersetzung organischen Materials im eutrophen Atacamagraben?

  • Wie effizient arbeiten die mikrobiellen Gemeinschaften unter extremen hydrostatischen Druckverhältnissen bei der Mineralisierung organischen Materials im Vergleich zu Gemeinschaften in seichteren Gefilden? Und in welchem Ausmaß beeinflussen spezialisierte, bisher unbekannte extremophile mikrobielle Gemeinschaften diese Prozesse?

Wei­te­re In­for­ma­tio­nen

Mehr Details über das Projekt von der Süd­dä­ni­schen Uni­ver­si­tät.

Weiteres Bildmaterial zum Pro­jekt.

Bericht über Ronnie N Glud bei Dan­marks Ra­dio (auf Dä­nisch)

Die SON­NE ist ein mo­der­nes deut­sches For­schungs­schiff, des­sen Fahrt­ge­biet haupt­säch­lich im Pa­zi­fik liegt. Die Aus­fahrt SO261 läuft vom 2. März bis zum 2. April 2018.

Wei­te­re In­for­ma­tio­nen zur SON­NE fin­den Sie hier.

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