Tiefsee-Bakterien gewinnen Energie aus Wasserstoff

Bei ihren Tauchfahrten zu heißen Quellen im Atlantik haben Forscher Muscheln entdeckt, die in ihren Kiemen Wasserstoff-verwertende Bakterien beherbergen

Die Tiefen der Ozeane sind ein lebensfeindlicher Ort. Um den widrigen Bedingungen zu trotzen, haben sich viele Organismen zu Lebensgemeinschaften zusammengeschlossen. Nicole Dubilier und ihre Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen entdecken immer wieder neue Symbiosen, mit denen die Tiefseebewohner ihre Energieversorgung sicherstellen.

Text: Klaus Wilhelm

Aus Hydrothermalquellen am Meeresgrund strömen bis zu 300 Grad heiße Flüssigkeiten, die große Mengen an Methan und Schwefelwasserstoff enthalten. Diese Schlote hat Nicole Dubilier inmitten des Atlantiks in tausend Meter Tiefe entdeckt.

Es war der 15. Mai 2005, als Nicole Dubilier die Idee mit dem Wasserstoff kam. „Ich war bester Laune“, erinnert sich die Biologin vom Bremer Max-Planck-Institut, „völlig unbekümmert.“ Die Hochstimmung hatte ihren Grund: Nach acht Jahre währender Pause war sie erstmals wieder auf großer Fahrt und schipperte mit dem Forschungsschiff „Meteor“ über den Mittelatlantischen Rücken, einem untermeerischen Gebirgszug durch den Atlantik.

3000 Meter tiefer, am Grund des Ozeans, liegt ein großes Areal „hydrothermaler“ Quellen, auf die es die Forscher abgesehen hatten: das Logatchev-Feld. Der vom Schiff aus ferngesteuerte Tauchroboter MARUM-Quest hatte bereits erste Flüssigkeitsproben der heißen Quellen an Bord gebracht, die auch im Schiffslabor von Thomas Pape landeten. In der flüssigen Ernte vom Meeresgrund hatte der Geochemiker von der Universität Bremen immense Mengen Wasserstoff gemessen. „Da hab´ ich dem einfach gesagt: Komm, lass uns mal testen, ob die Muscheln von da unten den Wasserstoff verbrauchen.“ Genauer gesagt: die Bakterien, die die Kiemen der Meeresmuschel Bathymodiolus puteoserpentis bewohnen, einer Verwandten der Miesmuschel.

Bakterien als Bewohner eines Tiers!? Das deutet entweder auf Parasitismus hin – was in diesem Falle nicht zutrifft. Oder auf eine Symbiose – eine enge, meist dauerhafte Zweckgemeinschaft verschiedener Organismen zum beiderseitigen Nutzen. Nicole Dubilier leitet am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie seit 2007 die Arbeitsgruppe „Symbiose“.

Das Bremer Team und seine kooperierenden Kollegen veröffentlichten im August 2011, gut sechs Jahre nach der Idee auf der Meteor, im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature den Nachweis, dass Symbiosen an Hydrothermalquellen tatsächlich Wasserstoff als Energiequelle nutzen, um sich zu ernähren. Es war einer der begehrten großen „Artikel“ in Nature, nicht nur einer der üblichen kurzen „Briefe“. Und zugleich die Titelgeschichte der Woche. Beides unterstreicht den Wert der wissenschaftlichen Entdeckung und die Bedeutung der Symbiosen in der Welt der Biologie. „Ohne Symbiosen hätte sich das Leben auf der Erde anders entwickelt“, sagt Dubilier.

Für die Bremer Experten ist diese Erkenntnis fast banal. Schon vor Jahrmilliarden hat die Symbiose zwischen Bakterien und primitiven Einzellern die Ausbreitung und Evolution von pflanzlichen und tierischen Zellen befeuert. Noch heute beherbergt nahezu jede pflanzliche, tierische und menschliche Zelle mit ihren winzigen Energiekraftwerken, den Mitochondrien, die Nachfahren früherer bakterieller Symbionten – ohne Mitochondrien könnten wir nicht atmen. Im menschlichen Darm gedeihen unzählige Bakterien, die sich für die Rundum-Versorgung revanchieren, indem sie die Verdauung unterstützen und das Immunsystem stärken. Unser Wohlbefinden hängt also von ihnen ab, und sie beeinflussen sogar die Wirkung von Medikamenten.

Wohlgenährt auch ohne Verdauungstrakt: Der mit dem Regenwurm verwandte Oligochaet Olavius algarvensis hat zwar weder Mund noch Darm, aber verhungern muss er nicht. Das verdankt der gerade einmal zwei Zentimeter kurze Organismus bakteriellen Endosymbionten.

Wohin man auch blickt: Symbiosen, Symbiosen, Symbiosen mit Mikroorganismen. Auch an den hydrothermalen Quellen oder „Schwarzen Rauchern“ am Meeresboden - jenen Schloten, die sich vor allem dort finden, wo sich die Platten der Erdkruste voneinander weg bewegen oder sich eine Erdplatte unter eine andere schiebt. Dort steigt erhitztes Magma in die obere Erdkruste auf und kommt in Kontakt mit dem Seewasser. An diesen bis 400 Grad Celsius heißen Quellen spuckt die Erde dann Mineralien und Nährstoffe in den stockdunklen Ozean, aber auch eine Art Höllensuppe, die mit für fast alle Tiere tödlichem Schwefelwasserstoff (Sulfid) angereichert ist – mithin jenem Gas, das faule Eier so übel stinken lässt. Kohlenmonoxid strömt aus, Methan ebenso und nicht zuletzt Wasserstoff. Sulfid und Kohlenmonoxid bedeuten für Tiere vor allem eines: Gift.

Trotzdem gedeiht hier eine muntere Fauna aus Würmern, Muscheln und Krabben. Die Tiere trotzen der tödlichen Gefahr durch einen Trick: Sie haben sich irgendwann in ihrer Evolution Bakterien einverleibt, die den Schwefelwasserstoff oder das Methan chemisch umsetzen und damit unschädlich machen. Mit dem Vorgang gewinnen diese „Sulfidoxidierer“ und „Methanoxidierer“ Energie, die sie wie alle Organismen zum Leben brauchen, um damit aus Kohlendioxid Kohlehydrate zur Ernährung aufzubauen. Die Mikroben entgiften für ihre Wirte nicht nur die Umwelt, sondern geben auch einen Teil der organischen Nährstoffe an sie ab. Die Tiere garantieren ihren Dauergästen im Gegenzug die stete Nähe zur Nahrungsquelle. Eine Gemeinschaft also, von der beide Partner profitieren.

Oder von drei Lebewesen, wie Nicole Dubilier und ihre Kollegen Anfang des Jahrtausends erstmals nachwiesen. Die Biologin fokussiert sich seit langen unter anderem auf einen ganz bestimmten Meereswurm: Der „Wenigborster“ Olavius algarvensis ist garantiert keine Vorzeige-Art der Meereswelt, nicht so imposant wie ein Wal, nicht so erheiternd wie ein Delfin. Aber gewöhnlich ist er nicht. Der Exot, gerade mal ein bis zwei Zentimeter lang, durchwühlt das obere Sediment im sandigen Meeresboden flacher Küstengewässer, etwa vor der Mittelmeerinsel Elba.

Im Mikroskop erscheint sein Körper milchig-weiß und gewunden wie Röhren eines Tauchsieders. Mit seinen 0,2 Millimetern Durchmesser gilt Olavius als echtes Mager-Model der Würmerwelt. Er ist verwandt mit dem schnöden Regenwurm, was seiner Besonderheit kaum gerecht wird. Denn der marine Wurm frisst nicht einen Bissen und lebt dennoch ausgezeichnet. Er hat weder Mund noch Magen noch Darm noch After. Der komplette Verdauungstrakt fehlt genauso wie nierenartige Organe für die Ausscheidung von Abfallstoffen wie Ammonium und Harnstoff.

Anfang dieses Jahrtausends entschlüsselte Nicole Dubilier die sogenannten 16s-rRNA-Gene der Einzeller des Wurms - diese Gene gelten unter den Experten als eine Art molekularer Personalausweis einer Bakterienart. Heraus kam eine für die Symbiose-Forschung bahnbrechende Entdeckung: eine harmonische Menage à trois - ein Wirt mit zwei Symbionten und alle profitieren. Weil kein oder zu wenig Schwefelwasserstoff im Sediment vorkommt, hat sich Olavius algarvensis eine Schwefelwasserstoffquelle einverleibt – ein Bakterium, das aus Sulfat Sulfid herstellt und über diesen Prozess Energie gewinnt. Den Schwefelwasserstoff wiederum verwerten die altbekannten Sulfid oxidierenden Bakterien als Energiequelle.

So entsteht ein erst mit dem Tod des Wirts endender Kreislauf, in dem die beiden Bakterienarten ihre Stoffwechselprodukte untereinander austauschen. Dieses biologische Konstrukt funktioniert so prächtig, dass die Bakterien aus Kohlendioxid einen Überschuss organischer Kohlenstoffverbindungen produzieren und den Wurm damit ernähren. Die Mikroben nehmen „ihrem“ Tier auch alle lästigen Abfallprodukte ab, die er sonst ausscheiden müsste. „Einfach genial“, findet Nicole Dubilier. Der Wurm macht sich weitgehend unabhängig von externen Energiequellen und kann neue Lebensräume ohne hohe Sulfidvorkommen besiedeln.

Inzwischen hat ihr Team zusammen mit internationalen Partnern das „Wurm-Biotopnoch genauer untersucht und bis zu fünf verschiedene Bakterienarten aufgespürt, eine Ménage à plusieurs. Zwei Sulfatreduzierer, zwei Sulfidoxidierer und eine weitere Bakterienart. Überraschenderweise fixieren vier der fünf Symbionten Kohlendioxid. Warum die Redundanz? Das ist bislang unklar. Vielleicht aber werden die unterschiedlichen Stoffwechselsysteme in verschiedenen Sedimenten gebraucht, in sauerstoffreicheren oberen Sandschichten und in eher nitratreichen tieferen Sandschichten.

Klar aber ist: Der Wurm hat ein regelrechtes symbiontisches Kraftwerk im Körper eingebaut. „Olavius algarvenis zeigt, wie Organismen begrenzte Ressourcen nutzten können, indem aufeinander abgestimmte Mikrobengemeinschaften zusammen wirken.“ So könnte die Wurm-Bakterien-Symbiose ein Modell für eine sich fast selbst erhaltende Biosphäre sein – ein System, wie es die Raumfahrt im großen Maßstab für lange Expeditionen wie etwa zum Mars braucht.

Derlei Dinge vermerkt Nicole Dubilier auf die immer wieder kommende Frage, wozu ihre Symbiosen-Wissenschaft denn taugt. Dann erzählt sie vom Kohlenstoffhaushalt der Meere und davon, wie der Zustand der Ozeane unmittelbar von der Artenvielfalt abhängt. Außerdem könnten viele Prozesse der symbiontischen Bakterien auch für die Infektionsforschung wichtig sein. Aber eigentlich will die im besten Sinne notorisch Neugierige am liebsten nur in unbekanntes Terrain vorstoßen - und verstehen. Den Blick offen halten für das Unerwartete, weitgehend frei von den Fesseln angewandter Forschung. So wie bei der Entdeckung symbiontischer Bakterien in der Meeresmuschel Bathymodiolus puteoserpentis.

Auch sie beherbergt zwei bakterielle Symbionten – einen Sulfidoxidierer und einen Methanoxidierer, die allerdings unabhängig voneinander ihr Dasein innerhalb der Kiemenzellen des Tiers fristen. „Dass beide auch Wasserstoff als Energiequelle nutzen, vermuteten die Kollegen schon in den 1980er Jahren“, sagt Nicole Dubilier. Denn zum einen ist Wasserstoff eine der besten Energiequellen schlechthin. Nach den Berechnungen der Max-Planck-Forscher bringt die Oxidation von Wasserstoff an den Hydrothermalquellen des Logatchev-Feldes siebenmal mehr Energie als die Methan- und 18mal mehr Energie als die Sulfidoxidation. Zum anderen nutzen frei lebende Bakterien folgerichtig Wasserstoff immer dann, wenn es vorhanden ist. Das bedeutet auch: Viele Bakterien haben die nötige Ausrüstung für die Oxidation des einen und anderen Gases in ihrem Erbgut gespeichert, nutzen aber, je nach Angebot in der Umwelt, nur eines der Systeme.

Niemand weiß allerdings, wann genau die Mikroben von einem zum anderen System umschalten. Genauso wie niemand zuvor der Nachweis der Wasserstoffverbrennung durch die Tier-Bakterien-Symbiose am Meeresgrund gelungen ist. Zu ungünstig die Bedingungen da unten, zu flüchtig das Gas, als dass sich im Labor ein Verbrauch mit der jeweils üblichen Technik hätte messen lassen können – jedenfalls bis in die jüngste Zeit.

„Wir hatten zunächst einmal das Glück, dass am Logatchev-Feld des Mittelatlantischen Rückens die Wasserstoffkonzentration sehr hoch sind“, sagt Nicole Dubilier, „das erleichtert den Nachweis.“ So konnte der Geochemiker Thomas Pape in einer Nachtschicht an Bord an jenem Tag im Mai 2005 tatsächlich hieb- und stichfest ermitteln: Die Muscheln aus Logatchev – in ihrem natürlichen Biotop bis zu 2000 Tiere pro Quadratmeter – konsumieren Wasserstoff. „Die haben es weggelutscht wie blöd“, soll Pape seinerzeit gesagt haben. Doch blieben viele Fragen offen. Konsumieren beide Bakterienarten Wasserstoff? Oder nur einer der Symbionten, und falls ja: welcher?

Fünf lange Jahre und weitere zwei Ausfahrten ans Logatchev-Feld hat es gedauert, bis das Rätsel gelüftet war. Immer wieder nahm der Tauchroboter Proben vom Grund des Ozeans und beförderte sie ans Tageslicht, wo sie schon an Bord des Forschungsschiffs und später in Bremen analysiert wurden. Fünf Jahre, in denen Nicole Dubilier und ihrer Kollegen ihre Geldgeber von der Deutschen Forschungsgemeinschaft immer wieder überzeugen mussten, warum noch eine weitere teure Ausfahrt an das Logatchev-Feld nötig sei. Tägliche Kosten: 35.000 Euro.

Aber auch fünf Jahre mit Innovationen in Messtechnik und Molekularbiologie. „So haben sich immer mehr Indizien angesammelt, die letzten Endes für einen Artikel in Nature gereicht haben“, erklärt die Biologin. So haben die Forscher entdeckt, dass das so genannte hupL-Gen für die Wasserstoffoxidation ausschließlich in der sulfidoxidierenden Art vorkommt. Sie konnten daraufhin belegen, dass dieses Gen in Anwesenheit von Wasserstoff auch tatsächlich aktiv ist und ein Enzym für die Wasserstoffoxidation produziert wird. Die komplette Entschlüsselung des Genoms des Sulfidoxidierers ergab: Alle Gene, die für die Wasserstoffoxidation gebraucht werden, liegen eng beieinander, und zwar in direkter Nachbarschaft zu den Genen für die Sulfidoxidation.

Und schließlich konnten sie mit einem neuen Gerät gelöste Gase unter den Hochdruck-Verhältnissen in der Tiefsee messen. Am Tauchroboter angebracht, haben die Analysen des Geräts direkt an der heißen Quelle ergeben: In den Flüssigkeiten in unmittelbarer Nähe der Muscheln ist deutlich weniger Wasserstoff gelöst als dort, wo sie die Erdkruste verlassen.

Mithin blieb kein Zweifel mehr: Die Mikroben und damit auch die vergesellschafteten Muscheln ernähren sich mit jener Energiequelle, die auch Menschen zu gerne in großem Stil nutzen würden, bislang aber wenig effektiv. Ganz anders die mikrobiellen Untermieter der etwa 500.000 Muscheln am einige hundert Quadratmeter großen Logatchev-Feld: Stündlich setzen sie bis zu 5000 Liter Wasserstoff um. Die Wasserstoff verbrauchenden Symbiosen spielen damit eine wesentliche Rolle als Primärproduzenten von organischer Masse.

Auch die Symbionten anderer Tiere an den Hydrothermalquellen besitzen das hupL-Gen, wie die MPI-Forscher nun wissen – etwa der Röhrenwurm Riftia pachyptila oder die Garnele Rimicaris exoculata. „Wahrscheinlich können viele Bakterien in den Lebensgemeinschaften der heißen Quellen Wasserstoff nutzen“, glaubt Nicole Dubilier, selbst dort, wo aus den Quellen nur wenig Wasserstoff ausströmt wie an den südlich von Logatchev gelegenen Hydrothermalfeldern Wideawake und Lilliput. Da verbrauchen die Bakterien der Muscheln zwar von Haus aus weniger Wasserstoff. „Wenn wir denen aber im Labor ordentlich was anbieten, kommen die auf Touren“, schwärmt die Biologin. Entlang der mittelozeanischen Rücken existiert so etwas wie ein Wasserstoff-Highway mit Zapfstellen für die symbiontische Primärproduktion – das sind die Hydrothermalquellen“, sagt Jillian Petersen von der Bremer Arbeitsgruppe und Erst-Autorin des Nature-Artikels.

Interessanterweise haben Dubilier und ihrer Kollegen in der Tiefsee auch Muscheln gefunden, deren Zellkern von Bakterien infiziert ist. Doch dringen diese Bakterien nur in Kerne von Zellen ein, die keine symbiontischen Bakterien enthalten. „Deshalb vermuten wir, dass die Symbiose irgendwie vor der Infektion schützen kann“, sagt Nicole Dubilier. Jüngst haben ihre Mitarbeiter derlei Zellkern-Infektionen sogar bei handelsüblichen Muscheln nachgewiesen. Das immerhin macht die Erforschung des Phänomens weniger beschwerlich, denn an Flachwassermuscheln ist leichter heranzukommen als an ihre Verwandten der Tiefsee. Obwohl für fast alle Mitarbeiter des Symbiose-Teams die Exkursionen auf den Forschungsschiffen Höhepunkte des Berufslebens bedeuten. Für sie ist es ein Privileg, zumindest einmal im Jahr hinauszufahren und sich ein paar Wochen lang den Wind um die Ohren wehen zu lassen.

Dabei wird zuweilen das Unmögliche wahr. Auf einer der jüngsten Ausfahrten mit der Meteor entdeckten die Wissenschaftler in der Nähe der Azoren ein neues Hydrothermalfeld, „obwohl die Gegend als gut erforscht gilt“, wie Nicole Dubilier sagt. Mit einem neuen Fächerecholot war es gelungen, die Wassersäule bis zum Meeresboden unglaublich genau abzubilden und so eine Fahne von Gasbläschen zu orten. Nach der anschließenden Tauchfahrt des Unterwasserroboters und der Analyse der nach oben transportierten Proben stand fest: Dort findet sich die für heiße Quellen typische Fauna samt Symbionten.

Die Ausmaße des Feldes sind allerdings erheblich kleiner als üblich. Inzwischen wurden fünf weitere Stellen mit ähnlichen Gasblasen gefunden – ein Teil sogar in Gebieten, wo bislang keine hydrothermale Aktivität bekannt war. „Wahrscheinlich gibt es am Mittelatlantischen Rücken viel mehr solcher kleiner Felder“, betont die Leiterin der Symbiose-Arbeitsgruppe, „was hieße, dass wir den Beitrag von hydrothermaler Aktivität zum Wärmebudget der Meere neu überprüfen müssen.“ Der Fund könnte der Schlüssel sein, um eine umstrittene Frage zu klären: Wie haben sich die Tiere zwischen den oft hunderte bis tausende Kilometer voneinander entfernten großen Hydrothermalquellen verteilen können? Vermutlich, so Nicole Dubilier, „indem sie die aktiven kleineren Zonen als Zwischenstationen genutzt haben.“

Glossar

Wasserstoff
Wasserstoff entsteht in großen Mengen an manchen Hydrothermalquellen durch Reaktionen des Erdmantels mit Seewasser. Wasserstoffmoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen, die über eine energiereiche chemische Bindung zusammenhängen. Wasserstoff enthält pro Gewichtseinheit mehr Energie als jeder andere chemische Brennstoff. So ist die Energiedichte von einem Kilogramm Wasserstoff etwa 2,5-mal so groß wie die von einem Kilo Benzin.

Oxidation
Als Oxidation bezeichnet man den Verlust von Elektronen während einer chemischen Reaktion. Während der Zellatmung werden Elektronen so zwischen verschiedenen Molekülen verschoben, dass dabei Energie frei wird. Energiereichere Moleküle wie Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Methan können dabei mit geeigneten Reaktionspartnern in energieärmere Stoffe wie Wasser, Sulfat und Kohlendioxid umgewandelt. Die dabei frei werdende Energie kann die Zelle für ihren Stoffwechsel nutzen.

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