Bewohner der tiefen Biosphäre sind aktiver als gedacht

Sie leben hunderte Meter unter der Oberfläche – und sind trotzdem überaus aktiv: Die Mikroben in der tiefen Biosphäre überdauern nicht nur, sie fressen, vermehren sich und bewegen sich sogar aktiv fort. Das zeigt die erste umfassende Analyse des sogenannten Meta-Transkriptoms – der Gesamtheit der im tiefen Sediment vorhandenen Boten-RNA. Die Ergebnisse enthüllten nicht nur unerwartet hohe Aktivität, sie zeigen auch, dass in der extremen Tiefe mehr Pilze gedeihen als gedacht, wie ein internationales Forscherteam im Fachmagazin „Nature“ berichtet.

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Das Leben mit der meisten Biomasse existiert nicht auf der Erde oder in der Luft, sondern tief unter der Oberfläche. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts Geologen quasi durch Zufall in Bohrkernen aus dem Sediment Bakterien entdeckten, wurden Forscher nahezu überall im Untergrund fündig: Ob im Sediment der Meere, in Basalt und vulkanischer Lava oder sogar im steinharten Granit der kontinentalen Kruste, noch kilometertief unter der Oberfläche tummelte sich das Leben.

Parallelwelt im Untergrund

Inzwischen weiß man, dass sich sogar bis in 3,5 Kilometer Tiefe Bakterien, Viren und Pilze finden. Sie sitzen in den winzigen Spalten und Poren zwischen den Bodenstrukturen – und das in gewaltigen Mengen. Bis zu hundert Millionen Mikroben können sich in einem einzigen Gramm Sediment oder in einem Milliliter Grundwasser aufhalten. Seither ist klar: Es gibt eine Art Parallelwelt im Untergrund – die tiefe Biosphäre.

Ob diese Organismen dort allerdings nur in einer Art Ruhezustand überdauern, was genau sie fressen und wie sie ihre Energie erzeugen – diese Fragen waren bisher nur zum Teil beantwortet. Ein Grund dafür ist, dass bisher nur ein Bruchteil aller Bewohner dieser Tiefenzone überhaupt bekannt ist. William Orsi von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) und seine Kollegen wählten daher einen molekularen Ansatz, um mehr über die tiefe Biosphäre zu erfahren.

Boten-RNA bringt die Bauanleitungen für Proteine von der DNA im Kern zu den Proteinfabriken der Zelle. © Katherine Joyce / WHOI

Baupläne verraten Aktivität

Die Forscher entnahmen Proben aus einem Sedimentbohrkern, der im Rahmen des Ocean Drilling Program vor der Küste Perus gewonnen worden war und analysierten die darin befindliche Boten-RNA. Diese Biomoleküle entstehen, wenn Gene der DNA aktiv sind und abgelesen werden, um Proteine zu produzieren. Die Boten-RNA dient dabei als Transporteur: Sie bringt den Bauplan für ein Protein von der DNA im Zellkern zu den Proteinfabriken der Zelle. Findet man eine dieser Boten, lässt sich daraus ablesen, was in der Zelle gerade vorging: welche Strukturen sie gerade ausbildete und welche Stoffwechselvorgänge abliefen.

Tatsächlich wurden die Forscher fündig: Sie stießen auf Boten-RNA, die über einer Milliarde Bauplan-Abschnitten im Erbgut von Mikroben und anderen Bewohner der Tiefe entsprach. Nähere Analysen ergaben, dass viele RNA-Abschnitte Anweisungen zur Zellteilung enthielten. „Das ist der erste molekulare Beweis dafür, dass sich die Zellen in der tiefen Biosphäre tatsächlich teilen“, konstatiert Orsi.

Schwimmen, gleiten und fressen

Und die Bewohner der Tiefe bewegen sich sogar aktiv fort: Viele RNA-Stücke entpuppten sich als Bauanleitungen für Teile beweglicher Geißeln und anderer für die Bewegung wichtige Bauteile und Moleküle. „Der Kern dieses Funds ist: Wenn des Raum genug gibt, um sich zu bewegen, dann tun sie dies auch“, erklärt Orsi. Einige schwimmen mit Hilfe ihrer propellerartig rotierenden Geißeln durch die wassergefüllten Poren im Gestein, andere gleiten über die Oberfläche von Körnern.

William Orsi und seine Kollegin Virginia Edgcomb beim Verarbeiten der Proben. Diese wurden in einem speziellen Inkubator gehalten. © Cherie Winner / WHOI

Auch über die Ernährungsgewohnheiten der Mikroben mehr als hundert Meter unter dem Meeresgrund verriet die RNA etwas: Sie enthielt Bauanleitungen für Enzyme, die Schwefelverbindungen und Nitrate abbauen. „Dass die Bewohner der lichtlosen Tiefen statt Sauerstoff Sulfat veratmen, hat man schon vorher angenommen“, erklärt Orsi. Aber jetzt zeige sich, dass auch die Reduktion von Nitrat dort eine wichtige Rolle spiele. Und Räuber oder Kannibalismus gibt es in der tiefen Biosphäre ebenfalls: Die Forscher fanden Hinweise darauf, dass einige Zellen auch Aminosäuren verzehren. Diese aber können nur aus den Zellen anderer lebender oder gerade abgestorbener Organismen stammen.

Wie die Forscher betonen, liefern ihre Ergebnisse nicht nur einen einzigartigen Überblick über die tiefe Lebenswelt. Der Fund von so viel Aktivität im Untergrund hat auch Bedeutung für unser Verständnis der biochemischen Kreisläufe auf unserem Planeten. „Da unten gibt es eine gewaltige Biosphäre und sie hat daher auch schon rein rechnerisch einen großen Anteil“, sagt Orsi. Vor allem für die Kreisläufe von Kohlenstoff und Stickstoff spiele die tiefe Biosphäre eine wichtige Rolle. (Nature, 2013; doi: 10.1038/nature12230)

(Nature / Ohio University, 14.06.2013 – NPO)