Besonders in Bereichen, in denen die Erdkruste sich dehnt, gelangt Meerwasser in den tiefen Untergrund des Meeresbodens. Dort kommt es zur Bildung von heißen Quellen ganz besonderer Natur. Beim Kontakt mit dem hocherhitzten Magma läuft eine Vielzahl chemischer Reaktionen ab, durch die zahlreiche reduzierte Substanzen (Schwefelwasserstoff, Methan, Wasserstoff und Metallische Ionen) gebildet und mit dem hydrothermalen Wasser freigesetzt werden. Die beeindruckendsten Quellen sind die so genannten "Schwarze Raucher", deren Wasser beim Austritt Temperaturen von etwa 350°C erreichen kann (Abb. 1). Welche Organismen unter diesen Bedingungen noch existieren können, untersuchen Mikrobiologen am Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) in Kiel.

Wir sind gewohnt, die Sonne als die primäre Energiequelle unserer irdischen Lebewelt anzusehen. Sie spendet Licht, dessen Energie die grünen Pflanzen und photosynthetischen Mikroorganismen nutzen, um mit Hilfe der Photosynthese anorganischen Kohlenstoff in organische Zellsubstanz umzuwandeln. Neben der Sonnenenergie kann aber auch die Erdwärme, über die Vermittlung geochemischer Reaktionen des Meerwassers mit dem heißen Magma der Erdkruste, Energie für Lebensprozesse liefern. Diese geochemische Energie wird mit dem Hydrothermalwasser in Form verschiedener reduzierter chemischer Verbindungen freigesetzt, die zahlreichen Bakterien zur biochemischen Energiegewinnung dienen können (Abb. 2).

Diese sogenannten "chemolithotrophen" Bakterien sind wie die grünen Pflanzen in der Lage, aus anorganischem Kohlenstoff organische Zellsubstanz zu bilden. Da bei diesen Prozessen nicht Licht, sondern chemische Reaktionen die nötige Energie liefern, spricht man in Analogie zur Photosynthese von Chemosynthese. Chemosynthetische Bakterien sind somit die Existenzgrundlage einzigartiger, üppiger Lebensgemeinschaften, die im Bereich heißer und warmer Quellen wahre Oasen in der Wüste der Tiefsee bilden. In diesen Quellbereichen beträgt ihre Biomasse etwa das 200-300 Fache dessen, was sie außerhalb davon erreicht.

Besonders angepasste hyperthermophile Bakterien können noch bei Temperaturen von 113°C leben. Wird es kühler als 80°C, so sterben sie ab. Zum Vergleich: Hühnereiweiß wird schon bei Temperaturen um 45°C fest, d.h. es koaguliert. Oberhalb von 42°C sterben die Zellen der meisten Organismen an der Erdoberfläche ab.

In der Arbeitsgruppe Mikrobiologie untersuchen wir zur Zeit Hydrothermalquellen aus dem Bereich der Bransfield Straße, westlich der Antarktischen Halbinsel, in ca. 1040 m Tiefe. Sie erreichen eine deutlich niedrigere Austrittstemperatur von nur ca. 50°C, doch ihre mineralische Zusammensetzung ähnelt jener der heißeren Quellen. Hierbei interessieren uns insbesondere Organismen, die bei Methanbildung und -Abbau eine Rolle spielen.

Weitere Untersuchungsgebiete, ebenfalls mit niedriger Austrittstemperatur, liegen nahe Oregon an der Westküste der USA und im Bereich der Cocos Platte an der Westküste Costa Ricas. Hier interessieren uns sowohl die Bakterien des Methankreislaufs, als auch die innerhalb von Makroorganismen wie z.B. Muscheln lebenden Bakterien. Diese sogenannten "Endosymbionten" kommen vor allem in Muscheln der Arten Acharax und Calyptogena vor.

Unsere Untersuchungen ergaben, dass die nächsten bekannten Verwandten dieser bakteriellen Spezialisten in die Gruppe der schwefeloxidierenden Bakterien gehören. Somit stellen diese Symbionten einen völlig eigenständigen Ast im Stammbaum der Bakterien dar. Gerade bei den Symbionten von Acharax scheint es eine Koevolution zwischen den Bakterien und dem Wirtsorganismus gegeben zu haben.

Neben der reinen Grundlagenforschung dienen unsere Untersuchungen jedoch auch angewandten Aspekten. Bei einer großen Anzahl von Prozessen der biochemischen Industrie werden hohe Temperaturen durchlaufen. Erst dadurch werden die notwendigen hohen Umatzraten erreicht. Die meisten innerhalb dieser Prozesse notwendigen Enzyme würden dabei jedoch teilweise oder sogar völlig inaktiviert. Um trotz hoher Temperaturen spezifische Biokatalysatoren einsetzen zu können, wird daher auf die Enzyme aus hyperthermophilen, also hitze-liebenden Organismen zurückgegriffen.

Doch selbst bei eigentlich so einfachen Prozessen wie dem Waschen von Kleidung können solche temperaturresistenten Enzyme eine wichtige Rolle spielen. Bisher werden bei Wäschen von 60°C oder höher fett- und eiweisslösende Enzyme, sogenannte Lipasen und Proteinasen inaktiviert. Als Ergebnis verschiedener Untersuchungen gibt es mittlerweile entsprechende Enzyme aus hyperthermophilen Bakterien, die auch bei diesen Temperaturen aktiv bleiben und damit während des gesamten Waschprozesses ihre Tätigkeit entfalten können.
Dr. Jörg Süling, FB 3

Links:

• National Oceanic and Atmospheric Administration PMEL Vents Program
• Universität Washington Vents Page
• NASA Ocean Planet: Recently revealed
• National Science Foundation Press release
• Oceansonline (Dr. Sean Chamberlin
• oceanlink.island.net/ask/deepsea.html sponsored u.a. durch Vancouver Aquarium and Minstry of Water, Land and Air Protection
• Universität von Delaware Vents Page
• Institut IFREMER Vents Symposium 2001
• NASA: seawifs.gsfc.nasa.gov/OCEAN_PLANET/HTML/ps_vents.html
• NASA: earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/MediaAlerts/2000/200012114345.html

Weiterführende Fachliteratur:

Erin R. McMullin, Derk C. Bergquist and Charles R. Fisher (2000) Metazoans in Extreme Environments: Adaptations of Hydrothermal Vent and Hydrocarbon Seep Fauna Gravitational and Space Biology Bulletin 13(2)

Zoran Minic, Valérie Simon, Bernadette Penverne, Françoise Gaill und Guy Hervé (2001) Contribution of the Bacterial Endosymbionts to the Biosynthesis of Pyrimidine Nucleotides in the Deep-sea Tube Worm Riftia pachyptila. J. Biol Chem., 2001, 276 : 23777-84

Yoshihiro Fujiwara, Ken Takai, Katsuyuki Uematsu, Shinji Tsuchida, James C. Hunt, Jun Hashimoto(2000). Phylogenetic characterization of endosymbionts in three hydrothermal vent mussels: influence on host distributions Mar Ecol Prog Ser Vol. 208: 147-155

Ansprechpartner:

Prof. Dr. J. F. Imhoff, IFM-GEOMAR,
 Tel.: 0431 6003850,
 Email: jimhoff@ifm-geomar.de

Dr. J. Süling, IFM-GEOMAR,
 Tel.: 0431 6003849,
 Email: jsueling@ifm-geomar.de
 Homepage: Mikrobielle Ökologie