Mikrobielle Forschung in 10.000 Metern Tiefe.

Das ist keine theologische Frage: Wenn Meeresforscher von den tiefsten Tiefen der Ozeane sprechen, nennen sie sie die “adale” Zone, benannt nach dem Schattenreich der alten Griechen.
Sie vermuten jedoch, dass es dort viel mehr Leben gibt als im mythologischen Hades.
Die Gruben der Tiefsee könnten sogar das Weltklima beeinflussen, und Mikromotoren helfen, Antworten zu finden.

Mars ist Millionen von Kilometern von der Erde entfernt. Seine Oberfläche ist jedoch besser erforscht als der Grund von Meeresgräben, die nur acht bis elf Kilometer von der Meeresoberfläche entfernt sind. Die biologischen und chemischen Prozesse, die dort ablaufen, sind nämlich noch weitgehend unbekannt. Ein Forschungsprojekt, das nicht zufällig den Namen “Hades-ERC” trägt, versucht dies zu ändern, indem es völlig neue Informationen über die Tiefen der Ozeane liefert. Vorreiter ist Professor Ronnie Glud von der Universität von Süddänemark in Odense.

“In der Meeresbiologie gibt es eine einfache Faustregel”, sagt er. “Je tiefer man auf den Grund geht, desto weniger Leben findet man dort.” Denn mit zunehmender Tiefe nimmt auch die Kälte und Dunkelheit zu. Nur ein Bruchteil der im oberflächennahen Wasser produzierten Nahrung gelangt in große Tiefen. Hinzu kommt, dass der Wasserdruck alle zehn Meter um 1 bar zunimmt. In einer Tiefe von 10.000 Metern ist der Druck mit etwa 1.000 bar tausendmal höher als der, den wir beispielsweise an der Küste Sardiniens vorfinden. “Aber die Schwerkraft wirkt auch in dieser Umgebung noch. Ein Teil der organischen Materie, die auf den Meeresboden gelangt, setzt sich schließlich in Meeresgruben ab, wo sie sich ansammelt.”

Ein Reservoir für organisches Material

Deshalb war Professor Glud 2013 nicht überrascht, als er in einer Tiefe von fast elf Kilometern hochaktive mikrobielle Gemeinschaften fand. Damals hatte er seine Messgeräte im Marianengraben des Westpazifiks versenkt. “Wir haben in Tiefen unter 10.000 Metern mehr organisches Material gefunden als in 6.000 Metern”, erklärt der Meeresforscher. “Daher gehen wir davon aus, dass die Gruben einen sehr wichtigen Einfluss auf die Kohlenstoff-Stickstoff-Bilanz unserer Meere haben. Obwohl sie nur 2 Prozent der Meeresfläche ausmachen, könnten sie einen großen Einfluss auf das Kohlenstoffvorkommen und ganz allgemein auf das Klimageschehen haben.”

Das Projekt “Hades-ERC” will tief (wörtlich) in die Materie eindringen, um ein besseres Verständnis der in den Gruben ablaufenden Prozesse zu ermöglichen. Der Europäische Forschungsrat, Teil der Europäischen Union, finanziert es. Dabei handelt es sich um fortgeschrittene Zuschüsse, die so genannten “Advanced Grants”, die sich auf 2,5 Millionen Euro belaufen und es den Wissenschaftlern ermöglichen, langfristige, unbefristete Grundlagenforschung zu betreiben. Neben der Glud-Abteilung in Odense sind auch Meeresbiologen der Universität Kopenhagen und anderer Meeresforschungsinstitute in Deutschland, Japan und Schottland an dem Projekt beteiligt. Die hochentwickelte Instrumentierung wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Team in Odense und einem deutschen Team unter der Leitung von Dr. Frank Wenzhoefer am Max-Planck-Institut in Bremen entwickelt.

Das Projekt ist auf fünf Jahre angelegt, und die Untersuchungen werden ab Herbst dieses Jahres in drei pazifischen Gräben durchgeführt: dem Japangraben, dem Atacamagraben und dem Kermadec-Graben, in Tiefen zwischen 8.100 und 10.900 Metern. Diese Formationen wurden aufgrund der unterschiedlichen organischen Belastung in den darüber liegenden Gewässern ausgewählt. In diesem Sinne bieten sie ihren mikrobiellen Bewohnern sehr unterschiedliche Bedingungen.

Roboter statt U-Boote

Obwohl es bereits bemannte Tauchgänge in diesen Tiefen gegeben hat, wären U-Boote nicht die beste Wahl, um die Sedimente des Meeresbodens eingehend zu erforschen. Daher hat das an diesem Projekt beteiligte Team Roboter entwickelt, die autonom zum Meeresboden hinabsteigen und vorprogrammierte Untersuchungen durchführen. Sie sind mit Sensoren ausgestattet, die unter anderem die Sauerstoffaufnahme von Bakterien messen können – ein Wert, aus dem sich die Menge der verarbeiteten organischen Stoffe ableiten lässt.

Andere Sensoren helfen, Antworten auf die Frage zu finden, ob Mikroben in der Tiefsee Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat atmen. “Um unter den extremen Bedingungen der Tiefsee zu überleben, müssen die betreffenden Bakterien ganz anders sein als ihre Artgenossen in seichteren Gewässern”, so Professor Glud. “Zum Beispiel müssen ihre Membranen und Enzyme völlig anders funktionieren. Das ‘Wie’ ist genau das, was wir herauszufinden versuchen.”

Die Mikroben selbst zu untersuchen, ist eine ganz besondere Herausforderung. Da sie sich an eine Umgebung mit unglaublichem Wasserdruck angepasst haben, ist es unmöglich, sie auf triviale Weise an die Oberfläche zu bringen. Während des Aufstiegs würden sie sich nämlich in eine Art “Suppe” verwandeln, wie der dänische Forscher metaphorisch beschreibt. Deshalb sind die Roboter des “Hades-ERC”-Projekts mit Werkzeugen ausgestattet, die ein Fixiermittel in das Sediment injizieren können, das die Mikroorganismen während ihrer Bergung intakt halten kann.

Die Voraussetzung: Druckbeständigkeit

Angenommen, die Mikroben sollen vor dem Druck geschützt werden, der beim Aufstieg an der Oberfläche abnimmt. In diesem Fall müssen auch besondere Vorkehrungen getroffen werden, um die in den Robotern installierten Instrumente vor dem extremen Druck in den Meeresgruben zu schützen. Aus diesem Grund sind sowohl die Sensoren als auch die Geräte zur Handhabung der Sedimente für diese Umgebung ausgelegt und können dem Druck standhalten. Um ihre Aufgabe zu erfüllen, müssen sie auf jeden Fall mit dem Sediment in Berührung kommen und anschließend in verschiedene Positionen gebracht werden können. Verantwortlich für diese Bewegung sind Gleichstrom-Mikromotoren mit Planetengetrieben und Encodern.

Während einige Komponenten in einem druckfesten Titanzylinder untergebracht sind, können einige Geräte, wie Motoren und Getriebe, ihre Arbeit nur verrichten, wenn sie mit der zu untersuchenden Umgebung in Kontakt kommen. “Deshalb haben wir diese Komponenten in einem anderen Zylinder untergebracht, der sich innerhalb einer kleinen flexiblen Membran befindet, die mit einer inerten Flüssigkeit gefüllt ist”, erklärt Professor Glud. “Die Membran sorgt dafür, dass der Wasserdruck auf die eingeschlossenen Bauteile wirkt, ohne dass ein Differenzdruck entsteht. Denn das würde die Motoren zum Kollabieren bringen.”