In der Welt der offenen Ozeane scheint es kaum etwas zu geben, das lange hält. In der lichtdurchfluteten Oberflächenschicht wandeln mikroskopisch kleine Algen durch Photosynthese Kohlendioxid und Wasser in Biomasse um. Einzelne Zellen verschwinden innerhalb von Stunden oder Tagen, weil sie von anderen winzigen Lebewesen gefressen oder von Mikroorganismen wie Bakterien zersetzt werden. Während Baumstämme an Land Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende überdauern können, verschwinden die winzigen Bewohner der offenen Meere fast spurlos. Weit entfernt von der Küste ist für die meisten Seefahrer das unendliche Blau des Ozeans alles, was sie sehen können.
Doch in Wirklichkeit hinterlässt auch das Leben im Meer bleibende Spuren. Überall im Ozean, von der Oberfläche bis in die Tiefsee, von den Polarregionen bis in die Tropen, vom Watt bis zum Meeresboden, sammelt sich im Laufe der Zeit ein unsichtbares Molekülgemisch an: gelöste organische Materie, kurz DOM.
Jeder Liter Meerwasser enthält im Durchschnitt ein Milligramm dieser wasserlöslichen Kohlenstoffverbindungen. Hochgerechnet auf das Gesamtvolumen der Ozeane bedeutet das, dass in DOM rund 700 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert sind – mehr als in allen Lebewesen an Land und im Meer zusammen und entspricht etwa der Menge an Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre.
Ein Teil dieses gigantischen Kohlenstoffspeichers ist unglaublich langlebig. „Die ältesten Moleküle sind über 10.000 Jahre alt“, sagt Prof. Dr. Thorsten Dittmar. Diese Verbindungen tragen dazu bei, dass ein Teil des organischen Kohlenstoffs im Meer nicht gleich wieder als CO2 in die Atmosphäre gelangt. Forscher vermuten, dass dieser Puffer eine wichtige Rolle bei der Regulierung des natürlichen CO2-Gehalts in der Atmosphäre und damit des globalen Klimas spielt.
Wir sind umgeben von Milliarden Molekülen, die wir noch nicht identifiziert haben
Ob und wie gelöste organische Stoffe unser Klima auf Zeitskalen von Jahrhunderten bis Jahrtausenden beeinflussen, ist allerdings bislang noch nicht genau bekannt. „Wir wissen auch nicht, welche Prozesse die Größe dieses Kohlenstoffreservoirs bestimmen – oder umgekehrt, wie sich der Klimawandel auf gelöste organische Stoffe auswirken könnte“, erklärt Dittmar, der seit 2008 die Brückengruppe Marine Geochemie leitet, eine Kooperation zwischen dem Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. Aus diesem Grund werden gelöste organische Stoffe in aktuellen Klimamodellen nicht berücksichtigt.
Die Existenz von DOM ist seit über einem Jahrhundert bekannt. Und man weiß auch, dass einzellige Algen und andere Mikroorganismen gelöste organische Stoffe als Stoffwechselprodukte oder nach ihrem Tod ausscheiden. Doch aus welchen chemischen Verbindungen DOM besteht, war lange unklar. Es fehlten die nötigen Analysemethoden, um seine chemische Zusammensetzung zu bestimmen. „Wir sind umgeben von Milliarden Molekülen, die wir noch nicht identifiziert haben, die aber die Bewohnbarkeit unseres Planeten steuern“, sagt Dittmar.
Die Identifizierung dieser Moleküle ist entscheidend, um zu verstehen, was mit ihnen geschieht. Nur dann können Forscher mathematische Modelle erstellen, um die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und ihrer Umgebung zu beschreiben und so die Grundlage für globale Klimamodelle zu schaffen. Ist es ihrer Struktur zu verdanken, dass einige dieser Verbindungen Jahrtausende überdauern? Forscher begannen vor mehr als zwei Jahrzehnten, erste Antworten auf diese Frage zu finden.
An der Florida State University, wo Dittmar als Assistenzprofessor tätig war, analysierten er und ein Forscherteam erstmals Meerwasserproben mit einem neuartigen Verfahren, der ultrahochauflösenden Massenspektrometrie, und fanden Tausende verschiedener Arten organischer Moleküle. „Das war mein persönlicher Aha-Moment“, sagt Dittmar. Die Ergebnisse enthüllten die enorme – und bis dahin ungeahnte – molekulare Vielfalt der gelösten organischen Stoffe.
Das ermutigte Dittmar, tiefer zu graben, auch wenn es zunächst nur langsam voran ging. Die Auswertung der Daten des Massenspektrometers dauerte damals Monate. Inzwischen ist der Geochemiker ein gutes Stück weiter. In seinem Labor in Oldenburg steht das weltweit leistungsstärkste ultrahochauflösende Massenspektrometer für die Meeresforschung.
Die Analysen der Molekülmassen sind präzise genug, um die Zuordnung von Molekülformeln zu ermöglichen – oder einfacher gesagt, um die Anzahl der Atome von Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff zu bestimmen, die in einer Verbindung vorhanden sind. Dank ihrer Zusammenarbeit mit den Mathematikern der Interkontinentalrakete und moderner Rechenleistung können die Forscher all diese Daten heute innerhalb von Minuten auswerten.
Die Ergebnisse zeigen, dass jeder Liter Meerwasser Millionen verschiedener Stoffe enthält, wobei die genaue Menge kaum zu ermitteln ist, da es – wie weitere Experimente zeigten – für jede Molekülformel vermutlich viele verschiedene Molekülstrukturen gibt. Eine weitere Methode, die Kernspinresonanzspektroskopie, hat gezeigt, wie einige Elemente in den Molekülen miteinander verknüpft sind und so Rückschlüsse auf die Molekülstruktur zulässt. Dittmars Forschungsgruppe richtet derzeit ein neues Labor ein, in dem das für diese Forschung erforderliche Großgerät untergebracht werden soll.
Vermutlich ähneln die Prozesse im Ozeanboden denen in der Wassersäule
All diese Daten geben Einblicke in die vielfältige Welt der langlebigen organischen Moleküle. In dieser Welt spielen Mikroorganismen nicht nur als CO2-Quelle, sondern auch als CO2-Speicher eine entscheidende Rolle. Sie nehmen organische Stoffe auf und nutzen ihre Werkzeuge, hochspezifische Enzyme, um bestimmte Molekülbindungen aufzubrechen und neue Stoffe freizusetzen. Unter anderem untersuchen auch die mikrobiologischen Forschungsgruppen in Oldenburg und Bremen diese Organismen und ihre Enzyme. Gemeinsam liefern die Forscher wertvolle Einblicke in die Welt der Moleküle und Mikroben aus verschiedenen Blickwinkeln.
Wie komplex die Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Molekülen sind, verdeutlicht beispielsweise ein vergleichsweise einfaches Experiment der Forscher des jüngst abgeschlossenen Oldenburger Roseobacter-Sonderforschungsbereichs: Die Ergebnisse zeigten, dass eine einzige Bakterienart, die sich in einer Laborkultur von einem einzigen Zucker ernährt, Zehntausende weitgehend unbekannter Substanzen ausscheidet.
Aus solchen Experimenten und Beobachtungen schlussfolgerten die Forscher, dass es sich bei den langlebigen Substanzen um molekulare Abfallprodukte enzymatischer Abbauprozesse handelt. „Die Zellen scheiden diese Stoffe aktiv aus, da sie sie nicht verwerten können“, erklärt Dittmar.
Einer Hypothese zufolge reichern sich manche dieser Stoffe an, weil ihre Molekülstruktur einen weiteren Abbau verhindert. Diese Annahme wird allerdings dadurch infrage gestellt, dass es auf der Erde kaum Stoffe gibt, die Mikroorganismen nicht verarbeiten können.
Deshalb vermuten die Forscher einen weiteren Grund, warum Mikroorganismen, insbesondere solche in der Tiefsee, dieses reichhaltige Nahrungsangebot paradoxerweise nicht verwerten: Durch Aufnahme-, Verarbeitungs- und Ausscheidungsprozesse entstehen ihrer Ansicht nach immer neue Verbindungen in immer geringeren Konzentrationen. Dadurch wird es für Mikroorganismen trotz der Fülle an Molekülen immer schwieriger, solche zu finden, die sie verarbeiten können.
Die Arbeiten von Prof. Dr. Sinikka Lennartz stützen diese Hypothese. Lennartz, Juniorprofessorin für Biogeochemische Ozeanmodellierung an der Universität Oldenburg, erstellt Netzwerkmodelle, die die Wechselwirkungen – hier stark vereinfacht – folgendermaßen beschreiben: Ein Organismus im Netzwerk nimmt eine bestimmte Substanz auf und scheidet zwei neue Substanzen aus.
Ein anderer Organismus kommt vorbei, wählt nur einen der beiden Stoffe aus und scheidet zwei weitere ins Wasser aus, von denen nur einer von einem dritten Organismus verarbeitet wird – und so weiter. Dieses Netzwerkmodell liefere Ergebnisse, die „ziemlich nahe an der mittleren Konzentration und dem mittleren Alter der gelösten organischen Stoffe im realen Ozean liegen“, sagt Lennartz.
Entscheidend sei also, wie Organismen und Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung interagieren, so die Forscher. Dittmar spricht dabei von der „Ökologie der Moleküle“, die über die offenen Meere hinaus eine Rolle spielt: Auch auf dem Meeresboden finden sich an bestimmten Stellen große Mengen langlebiger gelöster organischer Stoffe. Im Rahmen des Exzellenzclusters „The Ocean Floor“ der Universität Bremen untersucht das Team des Geochemikers das Zusammenspiel zwischen gelösten Stoffen und kohlenstoffhaltigen Substanzen in Partikeln.
„Vermutlich laufen die Prozesse im Ozeanboden ähnlich ab wie in der Wassersäule“, sagt Dittmar. Letztere seien möglicherweise sogar noch komplexer, unter anderem weil die Sedimentstruktur Stoffe wie eine physikalische Barriere von Organismen trennt. Gemeinsam mit den Mikrobiologen wollen die Oldenburger Forscher die Prozesse im Ozeanboden und ihre Rolle im Kohlenstoffkreislauf noch genauer erforschen und in einem neuen Exzellenzcluster die geologische Expertise der Bremer Forscher mit dem ökologischen und geochemischen Know-how der Oldenburger zusammenführen.
Dittmars Gruppe ist zudem an mehreren Oldenburger Forschungsprojekten beteiligt, die sich mit flachen Meeresgebieten beschäftigen. Auch hier sieht Dittmar noch Forschungsbedarf – nicht zuletzt hinsichtlich der Frage, ob ein gezieltes Ökosystemmanagement dazu beitragen könnte, dass diese Lebensräume mehr Kohlenstoff speichern als bisher.
Erkenntnisse über Prozesse im Kleinen lassen sich nicht ohne weiteres auf globale Skalen übertragen
Bei all diesen Projekten bleibt allerdings eine Herausforderung: Erkenntnisse über Prozesse, die sich im Kleinen abspielen, lassen sich nicht ohne weiteres auf regionale oder gar globale Skalen wie die Weltmeere übertragen. Dafür sind die Wechselwirkungen im mikrobiellen Netzwerk zu komplex.
Doch letztlich lässt sich nur so herausfinden, welche Rolle gelöste organische Stoffe im Kohlenstoffkreislauf und damit für unser Klima spielen. Angesichts dieser Einschränkungen identifiziert die Modellierungsexpertin Sinnika Lennartz die wichtigsten Prozesse aus detaillierten Studien und integriert dann nur diese vereinfachten Ergebnisse in ihre größeren Modelle.
Dieser Ansatz hilft, die großräumigen Verteilungsmuster gelöster organischer Stoffe im Ozean aufzuklären. So wissen die Forscher, dass sich gelöste organische Stoffe in nährstoffarmen Regionen subtropischer Meere anreichern. Vermutlich können die dort lebenden Mikroorganismen diese Stoffe nicht abbauen, weil ihnen andere Nährstoffe wie Stickstoff oder Phosphor fehlen, die für ihr Wachstum entscheidend sind.
„Wenn wir dies im Modell berücksichtigen, können wir die beobachteten Muster reproduzieren und so große Kohlenstoffspeicher in den Weltmeeren lokalisieren“, erklärt Lennartz.
Durch die Kombination von Messungen, Experimenten und Modellierungen kommen die Forscher ihrem Ziel, die Moleküle und ihre Kreisläufe besser zu verstehen und dieses Wissen in globale Klimamodelle einfließen zu lassen, Schritt für Schritt näher. Da der Pool an gelöstem organischem Kohlenstoff enorm groß ist, könnten selbst kleine Veränderungen die Fähigkeit des Ozeans, CO2 zu speichern, stark beeinträchtigen. Ob das wirklich der Fall ist, bleibt abzuwarten. Für Dittmar jedenfalls geht die Suche nach den unsichtbaren Spuren des Lebens in der Tiefsee weiter.