By Melina Krohn

Wenn wir unter die Oberfläche der Erde gehen, entfernen wir uns immer weiter von allem, was wir kennen und was uns vertraut ist. Daher ist es schwer vorstellbar, dass dort etwas überleben könnte. Und doch machen Mikroorganismen diese raue, lebensfeindliche Umgebung zu ihrer Heimat. Unterstützt durch das zirkulierende Meerwasser und das umgebende Gestein überleben diese Organismen dort nicht nur, sondern gedeihen an manchen Stellen sogar.

Abbildung 1 – Eine fiktive Darstellung der tiefen Biosphäre innerhalb der ozeanischen Kruste.

Abbildung 2 – Ein Festgestein-Bohrkern aus der ozeanischen Kruste. Darin sollen Mikroben leben? Und wie? Folgen Sie mir und finden Sie es heraus!

Die tiefe Biosphäre ist eines der letzten nur wenig erforschten Gebiete der Erde. Die Erforschung des Lebens im Untergrund ist eine Herausforderung und wird durch Bohrprogramme wie das International Ocean Discovery Program (IODP) ermöglicht. Dort werden spezielle Bohrschiffe wie die JOIDES Resolution eingesetzt, um Proben aus dem Meeresboden zu entnehmen. Was wir dort finden, stellt unsere Definition von Leben in Frage und bietet tiefgreifende Einblicke in die Anpassung von Organismen an extreme Umgebungen. Im Zuge des technischen Fortschritts werden wir weiterhin die Geheimnisse dieser verborgenen Welt lüften und Licht auf die Ursprünge des Lebens auf der Erde und die Möglichkeit von Leben außerhalb unseres Planeten werfen. Als Doktorandin, die diesen faszinierenden Lebensraum erforscht, lade ich Sie ein, mir in eine Welt zu folgen, die mit der unseren nicht vergleichbar ist.

Was ist die tiefe Biosphäre?

Zunächst sinken wir immer tiefer ins Wasser, wobei das Sonnenlicht langsam schwindet, bis wir von völliger Dunkelheit umgeben sind. Nachdem wir eine scheinbare Ewigkeit durch diese immerwährende Nacht getrieben sind, erreichen wir schließlich den Meeresboden. Doch das ist nicht das Ziel unserer Reise: Wir sinken noch tiefer, in das Reich unter der Oberfläche des Meeresbodens. Hier finden wir, was wir suchen: Die tiefe Biosphäre.

Abbildung 3 – Lebensräume der tiefen Biosphäre. In den Habitaten sind einige wichtige Strukturen hervorgehoben. Diese sind Beispiele für Umgebungen, in denen in der Tiefe lebende Organismen gefunden werden können.

Die „tiefe Biosphäre“, die „unterirdische Biosphäre“ oder „intraterrestrisches Leben“ beschreiben alle dasselbe: Organismen, die verborgen unter der Erdoberfläche leben, entweder in Felsen oder begraben in Sand- und Schlammschichten. Das kann bis zu 2,5 km unter der Oberfläche sein, zusätzlich zu der Tatsache, dass sie sich bereits unter mehreren km Wasser befinden [1].

Diese Organismen sind mikroskopisch klein, daher der Name Mikroben. Sie können verschiedene Arten von Lebensformen sein, darunter Bakterien, Pilze oder sogar winzige wurmartige Lebewesen.

Aber wie überleben diese Organismen dort? Was fressen sie? Woher nehmen sie die Energie? Ganz einfach: Aus dem, wovon es dort reichlich gibt: Gestein! Nun könnte man fragen: Steinfressende Organismen? Das gibt es doch nur in Fantasy-Büchern! Nun, damit haben Sie nur teilweise recht. Natürlich haben diese Organismen keine Zähne, mit denen sie auf den Steinen herumknabbern. Und einen Verdauungstrakt haben sie auch nicht. Sie nutzen chemische Reaktionen, um Biomasse und Energie zu erzeugen.

Und wie funktioniert das?

Abbildung 4 – Je nachdem, wo in der Kruste die Mikroben leben, werden sie unterschiedlich bezeichnet: Chasmoendolithen leben in vorhandenen Rissen, Euendolithen kreieren Hohlräume und Kryptoendolithen siedeln in vorhandenen Hohlräumen im Gestein.

Wie werden aus Steinen Nahrung?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Bakterien die sie umgebenden Gesteine nutzen. Aber bevor wir verstehen können, wie das funktioniert, müssen wir wissen, was ein Gestein eigentlich ist: Ein Gestein ist eine feste Masse, die sich aus verschiedenen Mineralen zusammensetzt. Minerale sind natürlich vorkommende, kristalline Substanzen mit einer bestimmten Chemie. So ist zum Beispiel Quarz ein Mineral, Salz ist ein Mineral und genau genommen ist auch Wassereis ein Mineral. Es gibt verschiedene Arten von Minerale, abhängig von der Chemie und der Temperatur des Magmas, aus dem sie kristallisiert sind, sowie von den Temperaturen und Drücken, denen sie danach ausgesetzt waren.

Und ob Sie es glauben oder nicht: Die meisten Gesteine sind von Poren durchzogen, die durch mikroskopisch kleine Risse miteinander verbunden sind. Und während wir uns auf unserer Reise durch dieses vernetzte Porennetz treiben lassen, stellen wir fest, dass diese Poren und Risse nicht leer und auch nicht mit Luft gefüllt sind: Durch das Gestein der ozeanischen Kruste fließt Wasser. Dieses Wasser reagiert mit den Gesteinen, indem es Elemente austauscht und Minerale auflöst. Auf diese Weise werden Bestandteile wie Wasserstoff oder reduzierte Metalle wie Eisen freigesetzt, die zur Energiegewinnung genutzt werden können. Außerdem entsteht Kohlenstoff in Form von CO2 oder Methan. [3][4]. Einige Mikroben sind in der Lage, diese so genannten Fluid-Gesteins-Reaktionen zu beschleunigen, indem sie Säuren freisetzen oder Minerale oxidieren oder reduzieren [5][6].

Mit den gelösten Bestandteilen im Wasser können die Mikroben also Biomasse erzeugen. Diese Biomasse kann dann von anderen Organismen aufgefressen und verzehrt werden. Ein unterirdischer Kreislauf des Lebens!

Warum ist das für uns wichtig?

Abbildung 5 – Ein Sedimentkern – einer von vielen, die im 4°C kalten Kernlager des MARUM liegen.

Ist es nicht erstaunlich, wie diese winzigen Organismen einen solchen Einfluss auf ihre Umwelt haben? Aber jetzt, wo wir wieder auftauchen, könnten wir uns fragen: Warum ist das für uns wichtig? Wie Sie sehen können, laufen eine Menge chemischer Reaktionen ab. Und das Wasser, das durch die ozeanische Kruste fließt, steht in ständigem Austausch mit dem Wasser der Ozeane. Das bedeutet, dass die Organismen in der Kruste, die die Chemie des Wassers im Untergrund beeinflussen, auch einen Einfluss auf die Chemie des gesamten Ozeans haben! Damit haben diese Organismen einen Einfluss auf verschiedene Elementkreisläufe wie Stickstoff oder Kohlenstoff. Aber wie wichtig kann das sein? So winzige Dinger in einer so lebensfeindlichen Umgebung können doch nicht so viele sein, habe ich recht? Nein! Schätzungen zufolge befinden sich etwa 15 % der gesamten Biomasse der Erde im tiefen Untergrund. [7]. Allein im Sediment der Ozeane gibt es mehr Zellen als Sterne im Universum [8][9]! Der Umfang des Lebens in der Tiefe ist daher recht beachtlich, und wir müssen sie besser verstehen.

Deshalb haben wir vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften es uns zur Aufgabe gemacht, nicht nur den Ozean zu erforschen, sondern auch unter den Meeresboden zu schauen.

Und dabei hilft uns eines der größten Bohrkernlager der Welt, das sich hier in Bremen befindet. Dort sind etwa 192 km Bohrkerne gelagert, die meisten davon aus dem Atlantischen Ozean. Die ältesten davon stammen aus den Anfängen der wissenschaftlichen Meeresbohrungen in den 1960er Jahren! Sie glauben mir nicht? Dann kommen Sie und sehen selbst und entdecken die verborgene Welt unter dem Meeresboden: https://www.marum.de/en/Fuehrungen.html.

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Erstellt mit AI image generator https://deepai.org/machine-learning-model/text2img, 29.01.2025

Abbildung 2: © MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen; V. Diekamp

Abbildung 3: Krohn, J. M. S. (2024). Investigation of fungal growth and its influence on the permeability of the oceanic crust-Method Development using Penicillium Rubens (Master’s thesis, The University of Bergen).

Abbildung 4: Krohn, J. M. S. (2024). Investigation of fungal growth and its influence on the permeability of the oceanic crust-Method Development using Penicillium Rubens (Master’s thesis, The University of Bergen).

Abbildung 5: © MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen; V. Diekamp

Referenzen:

[1] Inagaki, F., Hinrichs, K. U., Kubo, Y., Bowles, M. W., Heuer, V. B., Hong, W. L., … & Yamada, Y. (2015). Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to~ 2.5 km below the ocean floor. Science, 349(6246), 420‑424.

[2] Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Knab, N. J., & Edwards, K. J. (2011). Microbial ecology of the dark ocean above, at, and below the seafloor. Microbiology and molecular biology reviews, 75(2), 361-422.

[3] Smith, A. R., Kieft, B., Mueller, R., Fisk, M. R., Mason, O. U., Popa, R., & Colwell, F. S. (2019). Carbon fixation and energy metabolisms of a subseafloor olivine biofilm. The ISME Journal, 13(7), 1737‑1749.

[4] Li, L., Wing, B. A., Bui, T. H., McDermott, J. M., Slater, G. F., Wei, S., … & Lollar, B. S. (2016). Sulfur mass-independent fractionation in subsurface fracture waters indicates a long-standing sulfur cycle in Precambrian rocks. Nature Communications, 7(1), 13252.

[5] Dong, H. (2012). Clay–microbe interactions and implications for environmental mitigation. Elements, 8(2), 113‑118.

[6] Dasgupta, S., Peng, X., & Ta, K. (2021). Interaction between microbes, minerals, and fluids in deep-sea hydrothermal systems. Minerals, 11(12), 1324.

[7] Bar-On, Y. M., Phillips, R., & Milo, R. (2018). The biomass distribution on Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(25), 6506‑6511.

[8] Kallmeyer, J., Pockalny, R., Adhikari, R. R., Smith, D. C., & D’Hondt, S. (2012). Global distribution of microbial abundance and biomass in subseafloor sediment. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(40), 16213‑16216.

[9] Manojlović, L. M. (2015). Photometry-based estimation of the total number of stars in the Universe. Applied Optics, 54(21), 6589‑6591.