Zellteilung alle tausend Jahre - Bakterien aus Meeressedimenten des Pazifiks
Vor zehn Jahren ahnte auch Prof. Dr. Heribert Cypionka, Paläomikrobiologe am Institut für Biologie und Chemie des Meeres der Universität Oldenburg noch nicht, dass sich tief in der Erde und vor allem unter dem Meeresboden gewaltige Mengen lebender Mikroorganismen befinden. Heute schätzt man, dass die so genannte tiefe Biosphäre fast ein Drittel der gesamten lebenden Biomasse der Erde beherbergt.
Die "JOIDES Resolution" in Valparaiso, Chile. Das Schiff ist mit einem 63 m hohen Bohrturm und spezieller Technik ausgestattet, die es ermöglicht, Proben mehrere hundert Meter tief im Sediment zu gewinnen.
Auch bei 1000-facher Vergrößerung sind Bakterien kaum zu entdecken (links). Mit Hilfe spezieller Farbstoffe (rechts) werden Bakterien-Kolonien im UV-Licht sichtbar.
Aus den chemischen Gradienten in den Sedimenten lässt sich ablesen, dass die Bakterien dort über große Zeiträume hinweg gewaltige Umsetzungen leisten. Ansonsten weiß man von den Bewohnern der Tiefe fast nichts, denn die Gewinnung einer nicht kontaminierten Probe von 300 Meter unter dem Meeresboden durch mehrere tausend Meter Wasser hindurch ist fast so schwierig wie die Beschaffung einer Probe vom Mars.
Die derzeit beste Technik der Probenahme und die Möglichkeit der Überprüfung möglicher Kontaminationen bietet das Bohrschiff "JOIDES Resolution", mit dem Cypionka von Januar bis April 2002 zusammen mit Mikrobiologen, Geochemikern und Sedimentologen aus aller Welt von Kalifornien nach Chile in den Pazifik fuhr.
Die Forschungsfahrt vor die Küste Perus fand im Rahmen des internationalen Tiefseebohrprogramms "Ocean Drilling Program" (ODP) statt. Bisher war das ODP-Programm klassisch geologisch ausgerichtet. Die Forschungsfahrt 201 auf den Spuren Alexander von Humboldts, zwischen Peru und den Galapagos-Inseln, war die erste, die einen mikrobiologischen Schwerpunkt hatte. Die Sedimente der sieben untersuchten Standorte sind bis zu 40 Millionen Jahre alt. Ziel der Forschungsgruppe um Cypionka ist die in den Sedimenten gefundenen Bakterien zu kultivieren und ihren Beitrag zu geologischen Prozessen zu analysieren.
Schon nach wenigen Zentimetern geht den Organismen im Sediment der Sauerstoff aus. Bakterien der tiefen Biosphäre sind so genannte Anaerobier, die ohne Sauerstoff leben. Ihre Lebensenergie beziehen sie aus chemischen Prozessen, indem sie beispielweise Methan auf- und abbauen.
Die Kultivierung der Bakterien ist eine fast unlösbare Herausforderung. Es reicht nicht, ihnen ein Milieu zu bieten, das dem in mehreren hundert Metern Sedimenttiefe entspricht. Denn die Bakterien leben nicht nur ohne Sauerstoff, sondern auch ohne Sonnenschein und Jahreszeiten. Nahrungsnachschub bekommen sie deshalb fast gar nicht. Die Verdopplungszeit der Populationen dürfte normalerweise Jahrhunderte, wenn nicht Jahrtausende betragen. Obwohl die Forscher extrem verdünnte Nährmedien anbieten, treten in vielen Kulturen aufgeblähte Bakterien auf, die unter dem Mikroskop den Eindruck erwecken, an "Fettsucht" zu leiden.
Um jede Teilung der Bakterien entdecken zu können, verwenden die Forscher des ICBM Fluoreszenz-Mikroskope, in denen mit Hilfe spezieller Farbstoffe einzelne Zellen zum Leuchten gebracht werden können. Molekularbiologische Techniken ermöglichen außerdem die Identifizierung der Mikroorganismen ähnlich wie in der Kriminalistik anhand des genetischen Fingerabdrucks. Untersuchungen dieser Art ergaben, dass viele Bakterien der tiefen Biosphäre Verwandte an anderen Standorten der Erde haben. Es lassen sich jedoch viele neue Arten gewinnen, deren genaue Erforschung die kommenden Jahre in Anspruch nehmen wird.
Bereits während der Forschungsfahrt 201 wurde an einem Standort ein Anstieg der Bakterienzahlen von mehreren Größenordnungen 90 Meter unter dem Meeresboden entdeckt. Hier verschwanden Methan und Sulfat gleichzeitig, offensichtlich aufgrund des Stoffwechsels der Mikroben. Bei deren Kultivierung im Labor darf man nun keinen schnellen Erfolg erwarten, sondern muss mit viel Geduld beobachten, welche der Bakterien "aufwachen" und zu wachsen beginnen. Interessanterweise scheinen sich manche Bakterien durch Signalstoffe aufwecken zu lassen, wie Versuche mit Bakterien aus dem Zwischenahner Meer gezeigt haben: Nach Zusatz von bakterienspezifischen Pheromonen wachsen signifikant mehr Bakterien als ohne Zusatz. Diese Entdeckung wenden die Wissenschaftler nun auch in Kultivierungsversuchen mit den besonders empfindlichen Bakterien der marinen Sedimente an.
Weil das Leben in den Tiefen der Erde bisher noch weitestgehend unerforscht ist, begrüßen Cypionka und seine Kollegen die Entscheidung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), die deutsche Beteiligung in dem internationalen Tiefseebohrprogramm, das seit Oktober 2002 unter dem neuen Namen "Integrated Ocean Drilling Program" mit einem Schwerpunkt "deep biosphere" angelaufen ist, für weitere zehn Jahre zu fördern.
