„Tiefe Biosphäre“ im Meeresboden
Wie Mikroben lebensfeindliche Bedingungen überleben

Kaum Sauerstoff, Temperaturen bis mehr als 100 Grad Celsius und enormer Druck unter den Lasten von Ozeanen und Sediment: Die tiefe Biosphäre bringt das Leben an seine Grenzen.

Und doch gibt es hier Leben. Hunderte Meter unter dem Meeresboden fristen mikroskopisch kleine Lebewesen ihr Dasein in Sand und Gestein. Ohne Licht und fast ohne Nahrung. Verborgen vor den Augen der Welt.

Lange hielten Forscher es nicht für möglich, dass hier noch etwas am Leben sein könnte. Heute wissen sie: Die tiefe Biosphäre ist das Zuhause von unzähligen Bakterien, Viren und Archaeen genannten Einzellern – und weitgehend unerforscht.

„Es ist das größte zusammenhängende Ökosystem, das wir auf der Erde haben“, sagt Jens Kallmeyer vom Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ). Der Geobiochemiker hat die Dimension dieses verborgenen Lebens erforscht und dazu die Biomasse in der tiefen Biosphäre berechnet. Kallmeyer fand heraus: Die Menge organischer Substanz – also aller pflanzlicher und tierischer Stoffe in der tiefen Biosphäre – ist so groß wie die allen Planktons, aller Fische und aller Wale in den Meeren darüber zusammen.

Um Bedingungen zu überstehen, die an der Oberfläche tödlich wären, leben die Mikroorganismen im Energiesparmodus. Sie haben sich angepasst – und kommen so fast ohne Nahrung aus.

Victoria Orphan vom California Institute of Technology hat das erforscht. Mikroben-Zellen unter dem Meeresgrund wachsen und vermehren sich ihr zufolge extrem langsam. Über lange Perioden teilen sich die Zellen überhaupt nicht. “Es ist eine völlig andere Art zu leben, wenn man nur alle zehn Jahre eine Kopie von sich selbst machen kann – oder alle hundert, alle tausend Jahre“, sagt die Geomikrobiologin.

Der Minimalismus der Mikroben zeigt sich auch an ihrem Stoffwechsel. Tief unter dem Meeresboden verstoffwechselt eine Zelle vielleicht ein paar Tausend Moleküle pro Jahr. Das haben Bohrungen ergeben. Ein Laborbakterium schafft Millionen – pro Sekunde. Das Leben in der tiefen Biosphäre sei „eine Geschichte von Überleben und Ausharren – nicht von blühenden Ökosystemen“, sagt Orphan.

Überleben und Ausharren – damit das auch unter den härtesten Bedingungen klappt, haben einige Bakteriengruppen einen Trick. Sie begeben sich in eine Art Tiefschlaf. Nur wenige der Kleinstlebewesen in der tiefen Biosphäre sind aktiv. Zu einem deutlich größeren Anteil enthalten Proben aus der tiefen Biosphäre sogenannte Endosporen.

Endosporen sind quasi Zellen im Ruhemodus. Bakterien bilden sie in ihrem Inneren, um ihr Erbgut zu schützen – vor Trockenheit, Strahlung oder extremer Hitze. Die Zellen werden so hochresistent. Selbst die widrigsten Umweltbedingungen können ihrem schutzummantelten Inneren nichts anhaben.

„Endosporen können vermutlich über Jahrtausende überleben und sozusagen auf bessere Zeiten warten, bis sie wieder aktiviert werden“, sagt Kai-Uwe Hinrichs, Direktor des Marum, des Zentrums für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen. Etwa, wenn durch ein Erdbeben Flüssigkeiten aus der Tiefe hochgepresst werden und neue Nährstoffe liefern.

Auch wenn Endosporen Bakterienzellen in der tiefen Biosphäre genügsam machen – es gibt ein Mindestmaß an Energie, das nötig ist, um eine Zelle gerade noch am Leben zu halten. Woher beziehen die Organismen dieses Energiequantum in Sedimenten, in denen leicht zugänglicher Kohlenstoff längst aufgezehrt ist?

Zum Beispiel aus Radiolyse, der Spaltung von Wasser durch natürliche Strahlung. Radiolyse erzeugt Wasserstoff, den Mikroben verstoffwechseln können. Zudem entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen, mit denen andere Mikroben zur Energiegewinnung Metalle oxidieren. Atom für Atom knabbern Mikroben auch an riesigen, schwer verdaulichen Makromolekülen aus Kohlenstoff, die seit Jahrmillionen im Sediment liegen. Auch Rost – Eisenoxide – wird zu Futter.

Dieses Leben am Limit braucht zudem Kooperation. Organismen der tiefen Biosphäre tun sich zu Zweck-Wohngemeinschaften zusammen. Darin verstoffwechselt die eine Mikrobe große organische Moleküle und spaltet sie auf, um Energie zu gewinnen. Wasserstoff oder Acetat produziert sie dabei als Abfall. Von diesem Abfall lebt ihre Partner-Mikrobe. Die Partner-Mikrobe wiederum hält die Konzentration der Abfälle so niedrig, dass die andere Mikrobe mehr Energie aus ihrer Nahrung ziehen kann.

Der Nachweis von Leben in der tiefen Biosphäre ist aufwendig und oft langwierig. Die Bakterien und Archaeen wachsen so langsam, dass man sie über viele Monate oder Jahre im Labor bebrüten müsste, bis sich etwas nachweisen ließe – falls sie überhaupt im Labor überlebten.

Was sich aber nachweisen lässt, sind molekulare Fingerabdrücke des Lebens: winzigen Verschiebungen in chemischen Profilen, Stoffwechselprodukte oder Bruchstücke von Biomolekülen. „Ich sage meinen Studenten gern: Wer die tiefe Biosphäre erforscht, muss fast so widerstandsfähig sein wie die Mikroben selbst“, sagt Victoria Orphan vom California Institute of Technology. „Jede Entdeckung ist hart erkämpft.”