Leben im Rauch von Unterwasservulkanen

Tief unten im Ozean an den Grenzen der tektonischen Platten steigen heiße Flüssigkeiten aus hydrothermalen Quellen auf. Die Flüssigkeiten sind sauerstofffrei und enthalten große Mengen an Metallen wie Eisen, Mangan oder Kupfer. Einige können auch Sulfide, Methan und Wasserstoff transportieren. Wenn sich das heiße Wasser mit dem kalten und sauerstoffreichen umgebenden Meerwasser vermischt, entwickeln sich hydrothermale Schwaden, die rauchartige Metallsulfidpartikel enthalten.

Diese Schwaden erheben sich Hunderte von Metern über dem Meeresboden und breiten sich Tausende von Kilometern von ihrer Quelle entfernt aus. Hydrothermale Schwaden scheinen ein prekärer Ort zu sein, um sich wie zu Hause zu fühlen. Das hält bestimmte Bakterien jedoch nicht davon ab, genau dort zu gedeihen, wie eine jetzt in veröffentlichte Studie zeigt Naturmikrobiologie findet.

„Wir haben uns Bakterien der Gattung Sulfurimonas genau angesehen“, sagt Erstautor Massimiliano Molari vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen. Diese Bakterien wachsen bisher nur in sauerstoffarmen Umgebungen, gelegentlich wurden Gensequenzen aber auch in Hydrothermalfahnen nachgewiesen. Wie ihr Name schon sagt, sind sie dafür bekannt, Energie aus Sulfid zu nutzen. „Es wurde angenommen, dass sie aus Umgebungen mit Meeresbodenschloten dorthin gespült wurden. Aber wir fragten uns, ob die Schwaden tatsächlich eine geeignete Umgebung für einige Mitglieder der Sulfurimonas-Gruppe sein könnten.“

Schwierige Probenahmebedingungen

Gemeinsam mit Kollegen vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven (AWI) und dem MARUM Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen unternahm Molari daher eine anspruchsvolle Probenahmereise zu hydrothermalen Plumes in der Zentralarktis und im Süden Atlantischer Ozean.

„Wir haben Proben von Fahnen in extrem abgelegenen Gebieten von sich ultralangsam ausbreitenden Kämmen genommen, die noch nie zuvor untersucht wurden. Das Sammeln von Proben hydrothermaler Fahnen ist sehr kompliziert, da sie nicht leicht zu lokalisieren sind. Die Probenahme wird noch schwieriger, wenn sich die Fahne in Tiefen von mehr als 2.500 befindet Meter und unter arktischem Meereis oder in den Sturmzonen des Südlichen Ozeans“, erklärt Antje Boetius, Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und Direktorin des AWI, die als Leitende Wissenschaftlerin der Arktis-Missionen tätig war. An Bord des Forschungsschiffes Polarstern gelang es den Wissenschaftlern, Proben zu sammeln und innerhalb dieses Wassers die Zusammensetzung und den Stoffwechsel von Bakterien zu untersuchen.

Gut ausgestattet und weit verbreitet

Molari und seine Kollegen identifizierten eine neue Sulfurimonas-Art namens USulfurimonas pluma (das hochgestellte „U“ steht für „unkultiviert“), die die kalten, sauerstoffgesättigten Hydrothermalfahnen bewohnt. Überraschenderweise nutzte dieser Mikroorganismus anstelle von Sulfid Wasserstoff aus der Wolke als Energiequelle. Die Wissenschaftler untersuchten auch das Genom der Mikroben und stellten fest, dass es stark reduziert war, Gene fehlte, die für ihre Verwandten typisch sind, aber mit anderen gut ausgestattet war, um ihnen zu ermöglichen, in dieser dynamischen Umgebung zu wachsen.

„Wir glauben, dass die hydrothermale Wolke nicht nur Mikroorganismen aus hydrothermalen Quellen verteilt, sondern auch den offenen Ozean ökologisch mit Lebensräumen am Meeresboden verbindet. Unsere phylogenetische Analyse legt nahe, dass USulfurimonas pluma von einem mit hydrothermalen Quellen assoziierten Vorfahren stammen könnte, der höher wurde Sauerstofftoleranz und breitete sich dann über die Ozeane aus. Das muss jedoch weiter untersucht werden“, sagt Molari.

Ein Blick auf die Genomdaten anderer Plumes ergab, dass USulfurimonas pluma in diesen Umgebungen auf der ganzen Welt wächst. „Offensichtlich haben sie in kalten, sauerstoffgesättigten und wasserstoffreichen Hydrothermalfahnen eine ökologische Nische gefunden“, sagt Molari. „Das bedeutet, dass wir unsere Vorstellungen zur ökologischen Rolle von Sulfurimonas in der Tiefsee überdenken müssen – sie könnten viel wichtiger sein, als wir bisher dachten.“