Mikroben sind so gut wie überall, vom Boden über die Luft und das arktische Eis bis hin zu Ozeanen, Seen und Flüssen – ganz zu schweigen von Ihrem ganzen Körper und dem Telefon oder Computer, den Sie gerade verwenden.
„Es ist selten, einen Ort zu finden, an dem es keine Mikroben gibt“, sagt Jeffrey J. Marlow, Assistenzprofessor für Biologie am Boston University College of Arts & Sciences. Aber es gibt Ausnahmen: extreme Umgebungen – heiße geschmolzene Lava, kochendes Wasser, das aus Tiefseeöffnungen spritzt – wo das Fehlen von Mikroben Marlow und seinem Team die Möglichkeit gibt, zu untersuchen, wie diese Organismen überleben und sich im Laufe der Zeit verändern. Wie lange brauchen zum Beispiel Mikroben, um ein abkühlendes Stück geschmolzenes Gestein zu besiedeln, und wo kommen sie überhaupt her?
Mikroben – einzellige Organismen wie Bakterien und Archaeen – tragen dazu bei, das Leben auf der Erde zu erhalten, indem sie Nährstoffkreisläufe antreiben, organische Stoffe und Chemikalien abbauen und Sauerstoff produzieren. Sie können auch Infektionen verursachen, aber die überwiegende Mehrheit ist neutral. Das Verständnis dieser unsichtbaren, aber unverzichtbaren Gemeinschaften kann Wissenschaftlern helfen, die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu entschlüsseln – die ältesten fossilen Aufzeichnungen, die 3,5 Milliarden Jahre zurückreichen, sind Spuren von Mikroben – und als Leitfaden für die Suche nach Leben auf anderen Planeten dienen.
„Das Leben durchdringt die Erde und verändert schnell neue Lebensräume. Die Details, wie und wie schnell Mikroben die Kontrolle über neue Umgebungen übernehmen, wurden jedoch nie über längere Zeiträume beobachtet“, sagt Peter Schroedl, Ph.D. Student im BU-Programm für Ökologie, Verhalten und Evolution, der in Marlows Labor arbeitet.
Respekt vor einem aktiven Vulkan
Im vergangenen Jahr haben Marlow, Schroedl und andere Labormitglieder die Grundlagen für ein Projekt gelegt, das die Besiedlung von Mikroben auf neu gebildetem Gestein dokumentiert. Sie reisten zusammen mit den Studenten Erin Frates und Dylan Mankel zu einer der extremsten Umgebungen der Welt: einem aktiven Vulkan.
Im Jahr 2021 begann ein neuer Vulkanausbruch Islands Vulkan Fagradalsfjall nach 781 Jahren Ruhe. Und dann brach es im August 2022 erneut aus. Einheimische und Touristen eilten natürlich alle zum Tatort, um epische Fotos zu machen. Aber für Forscher bot dies eine seltene Gelegenheit, frische Gesteinsproben zu sammeln und einen genauen Blick auf das geschmolzene Innere unseres Planeten zu werfen. Marlow und sein Studententeam gingen nur wenige Wochen vor dem zweiten Ausbruch zum Vulkanstandort, als das Land noch heiß war und Lava vom ersten Ausbruch noch unter die Erde sickerte.
„Jeff nahm ein Stück Gestein, das wir beprobten, steckte es in eine Tüte und die Tüte fing an zu schmelzen“, sagt Frates. Sie ist ein zweites Jahr Ph.D. Student, der in Marlows Labor die mikrobielle Vielfalt und ihre Stoffwechselaktivität untersucht. Sie und ihre Teamkollegen durchquerten den Rand des Lavafelds, weg von Touristen, und meißelten Stücke aus gehärtetem Basaltgestein.
In der Woche, in der sie dort waren, sammelte das Team Proben, inkubierte und konservierte sie und brachte sie zurück nach Boston – und stellte dabei sicher, dass sie nicht kontaminiert wurden.
Sobald Lava abkühlt und zu einem Gestein aushärtet, können Mikroben eindringen – aber wie lange dauert das? Und wer sind Sie? Woher kommen sie? Marlow und sein Team wollen sehen, welche Art von mikrobiellen Gemeinschaften auftreten und welche besonderen ökologischen und biologischen Faktoren einen Brocken Vulkangestein auf den Weg bringen, ein Wald oder ein anderes entwickeltes Ökosystem zu werden.
„Die Tatsache, dass das Leben chemische Reaktionen selbst durchführen kann und aktiv durchführt, ist erstaunlich; es scheint wie Magie“, sagt Frates. „Mikroben sind winzige Chemiker.“
In der Vergangenheit haben Forscher herausgefunden, dass es weniger als vier Monate dauert, bis Mikroben in ein neu gebildetes Gestein einwandern, sagt Marlow, aber die Einzelheiten darüber hinaus sind nicht gut dokumentiert. Im Labor warten die mit grünen und blauen Sprenkeln schimmernden Felsen auf eine Analyse der DNA- und Mineralzusammensetzung. Dadurch wird geklärt, welche Mikroben zum Zeitpunkt des Fundes der Gesteine, 10 Monate nach ihrer Entstehung, vorhanden waren. Dank einer Partnerschaft mit der Mitarbeiterin Solange Duhamel von der University of Arizona verfügt das Team auch über Proben, die nur wenige Tage oder Wochen alt sind. Die Forscher planen, zum Vulkan zurückzukehren, um weitere Proben zu entnehmen, um zu sehen, wie sich die mikrobielle Gemeinschaft in dem Jahr seit ihrem Besuch verändert hat.
„Unsere Arbeit bietet die Möglichkeit zu erkennen, wie Mikroben die Kontrolle über eine abiotische Umgebung an sich reißen, indem sie einen anhaltenden Vulkanausbruch als ideales natürliches Labor nutzen“, sagt Schroedl. Er blieb in den Wochen, nachdem Marlows Gruppe gegangen war, um mit dem RAVEN-Projekt der NASA weiter zu forschen, das Drohnen in Islands Lavafeldern für die zukünftige Erforschung des Mars testet. Er war dort, um Zeuge zu werden, wie Fagradalsfjall nach mehr als einem Jahr der Inaktivität zum Leben erwachte, und nutzte die Gelegenheit, um weitere Proben zu sammeln.
„Gebrüll ist keine Übertreibung“, sagt Schrödl. „Es ist ein seltenes Privileg, einen ausbrechenden Vulkan aus nächster Nähe zu erleben, den Vulkan zu respektieren und diese Seltenheit zu ehren, war für mich persönlich von größter Bedeutung.“
Unterwasserchemie
Nur wenige Wochen nach dem Trekking um den isländischen Vulkan stürzte sich Marlow in eine andere extreme Umgebung. Im selben Sommer wagte er sich an Bord des Alvin-Tauchboots der Woods Hole Oceanographic Institution, das kürzlich historische Tiefen von 6.500 Metern erreicht hatte, mehr als 5.000 Meter unter das Karibische Meer. Marlow nahm an einer zweiwöchigen Kreuzfahrt mit Wissenschaftlern aus der ganzen Welt teil, um die wissenschaftlichen Fähigkeiten des Tauchboots zu testen. Er sammelte auch Proben aus dem Mid-Cayman Spreading Center, einem Gebiet mittelozeanischer Rücken, in dem sich zwei tektonische Platten langsam trennen und Material aus dem Inneren herausspritzt, was es zu einem Hot Spot hydrothermaler Quellen macht.
Wissenschaftler glauben, dass Hydrothermalquellen – die im Grunde genommen Unterwasservulkane sind – ein Nährboden für die frühesten Mikroben waren. Diese Entlüftungsöffnungen sind ein Cocktail aus Chemikalien, Sedimenten und heißer Flüssigkeit aus der Tiefe der Erde, die sich mit kühlem Ozeanwasser mischt – die Entlüftungsflüssigkeit kann 400 Grad Celsius heiß sein und das Meerwasser nur 4 Grad Celsius, was zu enormen Temperaturunterschieden in der Spanne von gerade einmal 1000 °C führt ein paar Zentimeter. Marlow will die Schwelle finden, ab der Mikroben unter solchen Bedingungen überleben können.
Während seiner Zeit im U-Boot untersuchte er die Wassertiefen auf neue tektonische Aktivitäten, während andere Tauchgänge Brocken von hydrothermalen Schornsteinen entdeckten, die größtenteils aus Kupfer, Schwefel und anderen Metallen bestanden.
Zurück in einem Labor mischte Marlow Rohmaterialien – wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Aminosäuren – mit dem Probenmaterial, um zu verfolgen, wie die Mikroben die hinzugefügten Komponenten fressen und abbauen, was Hinweise auf die mikrobielle Häufigkeit und Aktivität gibt. Im Moment ist die Entlüftungsprobe versiegelt und wartet darauf, untersucht zu werden. Er interessiert sich besonders für Mikroben, die Methan verstoffwechseln, sogenannte anaerobe Methanotrophe. In ein Papier von 2021, Marlow und ein Team von Wissenschaftlern untersuchten im Golf von Mexiko, am US-Atlantikrand, im Guaymas-Becken und vor der kalifornischen Küste vier verschiedene marine Methanquellen, an denen Methangas aus Sedimenten des Meeresbodens austritt. Sie fanden heraus, dass frühere Studien den Methanverbrauch der auf Gestein basierenden Methanotrophen stark unterschätzt hatten.
„Methan ist ein sehr starkes Treibhausgas, und es gibt aquatische Mikroben, die das Methan fressen, bevor es an die Oberfläche gelangt“, sagt Marlow. Etwa 80 Prozent des unter Wasser freigesetzten Methans werden von Mikroben verschlungen, sagt er, wodurch verhindert wird, dass dieses Gas jemals die Atmosphäre erreicht.
„Mikroben sind die besten Chemiker der Welt, und wenn wir mit ihnen arbeiten, können wir wirklich spektakuläre Leistungen vollbringen“, sagt Schroedl. Ohne eine Entdeckung von 1966 hätten wir keine COVID-19-Tests, die ein Enzym verwenden, das erstmals in einem hitzebeständigen Mikroorganismus entdeckt wurde, der in einem Yellowstone-See gefunden wurde. Wenn es um die Reduzierung von Treibhausgasemissionen geht, glaubt Marlow, dass Methanotrophe möglicherweise als eine Möglichkeit untersucht werden könnten, Methangas zu binden und zu regulieren.
Jenseits unseres eigenen Planeten verwenden Wissenschaftler Mikroben, die in extremen Umgebungen gefunden wurden, als Vorlagen, um einzelliges Leben auf anderen Planeten und Monden zu finden – da Wüsten, Vulkane und Schlote am Meeresboden die ähnlichsten Orte sind, die wir mit Titan, dem größten Mond von Mars und Saturn, haben . Dies wird allgemein als Astrobiologie bezeichnet, ein Gebiet, das versucht, mögliches außerirdisches Leben zu finden, indem es die Systeme der Erde untersucht. Indem sie die Jagd nach frühen Mikroben an den rauesten Orten fortsetzen, hoffen Marlow und sein Team, mehr zum Verständnis des Lebens hier – und darüber hinaus – beizutragen.
„Was passiert, auch wenn es außer Sichtweite zu sein scheint, wirkt sich immer noch direkt auf den ganzen Planeten aus“, sagt Frates. „Exploration hat einen inhärenten Wert.“