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Auch im Eis: Einzeller gedeihen unter widrigsten Bedingungen.
Auch im Eis: Einzeller gedeihen unter widrigsten Bedingungen.(Foto: imago/snapshot)
Donnerstag, 09. November 2017

Fit bei Kälte, Hitze, Dunkelheit: Extremophile und ihr Leben am Limit

Kilometer unter der Erde, eingeschlossen im Eis und selbst am tiefsten Meeresgrund gibt es Leben. Winzige Organismen halten dort extremen Bedingungen stand. Forscher interessieren sich dafür: Mal geht es um Waschmittel, mal um den Mars.

Permafrost ist ein eisiges Reich, das insgesamt rund ein Fünftel der Landfläche umfasst. Lange Zeit galt der Permafrostboden als leblose Zone, doch dieses Bild hat sich radikal geändert. "Wir wissen inzwischen, dass es zahlreiche Organismen gibt, die da unten in Dunkelheit und Kälte leben und einen aktiven Stoffwechsel haben", sagt Dirk Wagner, Leiter der Sektion Geomikrobiologie am GFZ in Potsdam. Nicht nur im vermeintlich leblosen Dauerfrostboden wimmelt es. Ob weit unten im Ozean, kilometertief im Fels, in toxischen Abfallhalden, natürlichen Asphaltseen oder in kochend heißen Quellen: Wenn Forscher bei solch extremen Bedingungen genauer hinschauen, entdecken sie dort fast immer Leben. Es sind meist Einzeller, die verblüffende Anpassungsstrategien für die unwirtlichen Orte entwickelt haben und auch unter widrigsten Bedingungen gedeihen.

"Das Interesse der Wissenschaft an diesen ungewöhnlichen Lebensformen hat seit einigen Jahren enorm zugenommen", sagt Wagner, der sich auf terrestrische Extremhabitate wie eben Permafrost und die sogenannte tiefe Biosphäre im tiefen Untergrund spezialisiert hat. Die bisherigen Entdeckungen sind erst der Anfang, ist er überzeugt: "Wir haben gerade einen kleinen Ausschnitt des Lebens in diesen extremen Habitaten kennengelernt und insbesondere die Vielfalt darin erst ansatzweise erkannt."

Gut fürs Klima: Bakterien fressen Methan

Die Forscher erhoffen sich grundlegende Erkenntnisse darüber, wie Leben im Extremen funktioniert, welchen Stoffwechsel die Organismen betreiben, wie sie sich anpassen – und letztendlich auch, wie sich Leben auf der Erde entwickelt haben könnte. Sie setzen außerdem darauf, dass dieses Wissen auch für konkrete Anwendungen genutzt werden kann. Die neuen Waschmittel beispielsweise, die dank spezieller Enzyme schon bei niedrigen Temperaturen gut waschen, gehen auf Entdeckungen zurück, die Forscher in extremen Bereichen gemacht haben.

Das neu gewonnene Wissen kann im Idealfall auch helfen, globale Veränderungen abzuschätzen: So zeigen Untersuchungen, dass das massenhaft im Dauerfrostboden gebundene beziehungsweise von Mikroorganismen produzierte Treibhausgas Methan teilweise von anderen Bakterien gefressen wird. Im Zuge der Erderwärmung dürfte also weniger Methan in die Atmosphäre gelangen als befürchtet, was die Klimaprognose zumindest ein bisschen verbessern könnte.

Und vielleicht hilft die Forschung an den extremophilen Mikroorganismen auch dabei, eine alte Frage der Menschheit zu beantworten: Gibt es Leben jenseits der Erde? GFZ-Forscher Wagner arbeitet dafür unter anderem mit dem Institut für Planetenforschung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen. In ausgeklügelten Versuchen werden dort einzellige Erdlinge mit Marsbedingungen konfrontiert, um herauszufinden, ob ihresgleichen auf dem Roten Planeten lebensfähig wären.

Unter der Oberfläche so viel Biomasse wie darüber

Schätzungen zufolge existiert unter der Erdoberfläche ähnlich viel lebende Biomasse wie darüber. In den allermeisten Fällen muss sie ohne populäre "Lebens-Mittel" wie Sonnenlicht und freien Sauerstoff auskommen. "Die Organismen, überwiegend sind es Bakterien, betreiben anaeroben Stoffwechsel und beziehen ihre Energie und ihren Zellkohlenstoff vollständig aus Substanzen wie Wasserstoff, Schwefel beziehungsweise Kohlendioxid", sagt Wagner. Diese Form des Stoffwechsels ist zwar weniger energieeffizient als der aerobe mit Sauerstoff, doch in vielen ökologischen Nischen ist er die einzige Möglichkeit, um zu überleben.

"Das Leben tief im Gestein oder auch im Meeresboden unterscheidet sich deutlich von dem, das wir von der Oberfläche kennen", sagt Wagner. Die Anzahl der Organismen sei um ein Vielfaches geringer, aufgrund der knappen Nahrung laufe alles viel langsamer ab. "Das bekannte Bakterium Escherichia coli zum Beispiel teilt sich unter optimalen Laborbedingungen alle 20 Minuten. Bakterien im Boden brauchen dafür schon ein paar Tage, bei Einzellern tief im Gestein dürfte es im Schnitt nur alle paar tausend Jahre zu einer Teilung kommen." Bis jetzt wurden solche "Fels-Mikroben" in über drei Kilometern Tiefe entdeckt, in einer Goldmine in Südafrika unter gewaltigem Druck und hohen Temperaturen.

"Aus ihrer Sicht sind wir die Extremophilen"

Dass sie "Extremophile" genannt werden, findet Wagner nicht ganz passend. "Nehmen wir doch einmal ihre Perspektive ein: Ihre optimale Lebenstemperatur beträgt vielleicht 80 Grad. Bei 25 Grad, was für uns angenehm ist, werden solche Organismen kaum aktiv werden. Aus ihrer Sicht sind wir Menschen die Extremophilen."

Viele Fragen sind noch offen. Wie zum Beispiel kamen die Lebewesen in die Tiefe? Für Bakteriengesellschaften, die kürzlich 2.400 Meter tief im Boden des Pazifiks gefunden wurden, gilt es als wahrscheinlich, dass sie vor 20 Millionen Jahren zu einem Waldboden gehörten, der durch geologische Prozesse versenkt wurde und unter den Ozean geriet. Aber ist das auch für die Mikroorganismen in der südafrikanische Goldmine plausibel oder für jene in den Tiefen des tschechischen Egergrabens, die eine GFZ-Expedition kürzlich aufgespürt hat? "Darüber wird in Fachkreisen noch immer leidenschaftlich diskutiert", sagt Wagner. "Manche vermuten, dass das Leben an vielen Orten auf der Erde parallel entstanden ist, auch in der Tiefe, solange es dort Wärme, Lebensbausteine wie Kohlenstoff und Wasser und ausreichend lange Zeit für eine Evolution gegeben hat."

Diese Idee fordert das bisher weitgehend anerkannte Modell heraus. Danach ist ein anderes Extrem-Habitat der Quell des Lebens – die Schwarzen Raucher an den Mittelozeanischen Rücken. Dank Expeditionen mit Tauchbooten sind atemberaubende Einblicke in diese skurrile Unterwasserwelt gelungen: Wie große Schornsteine stehen da pechschwarze Röhren auf dem gebirgigen Meeresgrund in gut zwei Kilometern Tiefe. Aus ihnen strömt bis zu 400 Grad heißes und mit gelösten Mineralen beladenes Wasser, das aus der Tiefe aufsteigt. Wo es in Kontakt mit dem kalten Meerwasser kommt, fallen die gelösten Substanzen aus und lassen die untermeerischen Schlote weiter wachsen. Das Material ist sehr porös, sodass im Innern viele kleine Reaktionskammern entstehen. Darin, so die bisherige Theorie, kann die Ursuppe aus Wasser, Kohlenstoff und weiteren Elementen so lange köcheln, bis Leben daraus hervorgeht.

Manche Bakterien erzeugen Strom

Ob es sich vor rund vier Milliarden Jahren wirklich so zugetragen hat, wird weiter diskutiert. Fest steht, dass zumindest heute die Schwarzen Raucher eine Fülle von Leben bergen. Falk Harnisch vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (UFZ) indes erforscht "Extremos" in der unmittelbaren Nachbarschaft: Bakterien, die ohne Sauerstoff im Abwasser leben und sich darauf spezialisiert haben, organische Säuren oder Sulfat zu fressen. Seine Studienobjekte erhält er vom örtlichen Klärwerk, seinem Team reichen fünf Liter pro Woche.

Die müffelnde Brühe schütten sie in einen Stahlbehälter, in den zwei Elektroden reichen. "Bakterien wie Geobacter sulfurreducens, die wir als elektroaktiv bezeichnen, haben zwei tolle Eigenschaften", schwärmt der Forscher. "Mit ihrem Stoffwechsel bauen sie Schmutz im Abwasser ab und obendrein werden auf molekularer Ebene noch Elektronen frei." Die werden an eine der beiden Elektroden abgegeben: Es fließt Strom. Noch ist er recht schwach, aber das Verfahren hat Potenzial, meint Harnisch. Denn bislang ist die Abwasserreinigung stromintensiv. Sie macht schätzungsweise 20 Prozent des kommunalen Stromverbrauchs aus. Gelingt es mithilfe der elektroaktiven Bakterien, den Verbrauch zu reduzieren oder gar eine echte Energiequelle zu erschließen, wäre dies ein großer Fortschritt.

Wenn die Wissenschaft schon Bakterien gefunden hat, die Abwasser reinigen und Strom erzeugen: Gibt es womöglich auch welche, die die omnipräsenten Plastikpartikel in der Umwelt abbauen? Tatsächlich gibt es Organismen, die beispielsweise Polyester oder Polyamide abbauen. "Doch die kommen in der Natur nur selten vor und werden das Problem kaum lösen", sagt Harnisch. Es sei nicht auszuschließen, dass es etwa in der Tiefsee Spezies gibt, die gerne Folie fressen, bisher aber nicht entdeckt wurden. "Ich lasse mich ja gern von neuen Arten und ihren Fähigkeiten überraschen", sagt er. "Verlassen würde ich mich aber nicht darauf." Manche Probleme, so scheint es, müssen die Menschen wohl auch noch selbst lösen.

Zum Weiterlesen: Erde und Umwelt auf helmholtz.de

Quelle: n-tv.de

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