Forscher gehen auf Tauchstation

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1 Faszination Forschung Wissenschaftler am Ma x -Pl a n c k -In s t i t u t f ü r m a r i n e Mi k r o b i o l o g i e untersuchen die Methanquellen der afrikanischen Tiefsee, die sich durch enorme Biodiversität und Biomasse auszeichnen. Forscher gehen auf Tauchstation I n mehreren Kilometern Tiefe haben sich am Meeresboden trotz absoluter Dunkelheit, unvorstellbar hohem Druck und hohen Mengen an toxischem Schwefelwasserstoff einzigartige Ökosysteme ausgebildet. An den sogenannten kalten Quellen (engl. Cold Seeps) finden sich ganz besondere Tiergemeinschaften. Sie profitieren von Methan und anderen Kohlenwasserstoffen, die dort natürlicherweise aus dem Meeresboden austreten und von Mikroorganismen in Biomasse umgewandelt werden. Allein in einem einzigen Gramm Meeressediment können sich mehrere Milliarden Zellen von Bakterien und Archaeen aufhalten, und nach groben Schätzungen beherbergt der Meeresboden damit ein Drittel der gesamten Biomasse der Erde. Die Mikroorganismen im Meeresboden sind in der Lage, organische Komponenten abzubauen und katalysieren wesentliche Mineralisationsprozesse: Einige reduzieren Sulfat und Eisen, andere produzieren aus Wasserstoff und Kohlendioxid Methan oder veratmen das Methan mit Sulfat. Diese Umsetzungsprozesse sind von gro ßer Bedeutung, beeinflussen sie doch entscheidend das endgültige Schicksal des sedimentären organischen Kohlenstoffs und stellen damit ein bislang kaum beachtetes Glied innerhalb des globalen Kohlenstoffkreislaufs dar. Wie viele verschiedene Lebewesen von der Fähigkeit der Mikroorganismen profitieren, chemische Energie aus einer Vielzahl von geologischen und biologischen Prozessen zu erschließen, ist noch wenig bekannt was angesichts der schwierigen Erreichbarkeit kaum verwundert. Aber eine Vielzahl von Untersuchungen in den vergangenen Jahren hat das Potenzial für neue und unerwartete Entdeckungen unterstrichen. In einem Internet-Blog schildern die Expeditionsteilnehmer ihre Erlebnisse auf der Forschungsfahrt. 17. Ju l i 2008: Leinen los! Heute morgen um kurz nach zehn Uhr hieß es in Walvisbaai (Namibia) Leinen Los für die Meteor und ihre internationale Besatzung. Begleitet von den Lotsen und jeder Menge Quallen um uns herum, beginnt nun unsere sechswöchige Forschungsfahrt, die uns von hier aus Richtung Norden zum Kongobecken führen wird. Zum Auslaufen tummeln sich natürlich alle Wissenschaftler an Deck, bewaffnet mit ihren Kameras, um den Beginn der Reise und die letzten Blicke aufs Land zu genießen. Für viele ist es das erste Mal auf einem Forschungsschiff, aber ich denke, auch für die alten Seehasen ist es immer wieder der Aufbruch in ein neues Abenteuer. Verabschiedet werden wir von ein paar Seehunden, die hin und wieder ihren Kopf aus dem Wasser strecken, sowie einer großen Schildkröte, die plötzlich auf der Backbordseite auftaucht, um Luft zu holen, aber genauso schnell auch wieder verschwindet. Die wissenschaftliche Arbeitsgruppe, die mit dem Forschungsschiff Meteor am 17. Juli aus Walvisbaai ausläuft, könnte kaum unterschiedlicher sein: 30 Studen ten, Techniker, Doktoranden, Postdocs und Wissenschaftler aus mehr als sechs verschiedenen Instituten und Ländern; alte Hasen mit mehr als 30 Forschungsfahrten und völlige Neulinge, die noch nicht mal einen Tag auf See verbracht haben. Und dazu eine Crew von 32 Mann Besatzung, ohne die nichts von all dem möglich wäre. Fahrtleiterin ist Antje Boetius. Die Mikrobiologin leitet seit 4 2 Ma x P l a n c k F o r s c h u n g 4/2008

2 marine Mikrobiologie Während der sechswöchigen Expe - dition mit der Meteor (unten) entlang der Westküste Afrikas haben Antje Boetius (oben) und ihre Kollegen im Internet Tagebuch geführt. Alle Foto s: MPI f ü r marine Mi k r o b i o l o g i e / Alle Unterwasserfotos: Marum, Universität Bremen

3 Faszination Forschung Quest ist ein Robotersystem, das für den routinemäßigen Einsatz in der Tiefsee entwickelt wurde (oben). Ebenfalls am Meeresboden eingesetzt werden soll der Mikrosensor-Profiler, den Volker Asendorf gerade zusammenbaut (unten) die Max-Planck-Forschungsgruppe Mikrobielle Habitate und ist darüber hinaus Professorin an der privaten Jacobs University in Bremen. M76/3b lautet die Kurzbezeichnung für die gemeinsame Ausfahrt der Forscher vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen (Marum), dem Alfred-Wegener-Institut, dem französischen Forschungsinstitut Ifremer, der Universität Paris sowie der belgischen Universität Gent. Ihr Ziel ist die Westküste Afrikas. Hier hoffen die Meeresforscher mit dem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug Quest-4000 des Marum neue Einblicke in die bizarre Fauna der Gas- und Fluidquellen am westafrikanischen Kontinentalrand zu gewinnen. 18. Ju l i 2008: Wi l l k o m m e n in ROV-Hausen Mit seiner riesigen Kabelwinde, dem großen Steuercontainer und der während der Tauchgänge in Schichten arbeitenden Crew von neun Technikern ist das Remotely Operated Vehicle Quest eine kleine Stadt für sich: genannt Rov-Hausen. Der ferngesteuerte Tauchroboter des Marum ist ausgestattet mit einer beeindruckenden Zahl an Sensoren, Kameras und Manipulatoren, die auf den bis zu 4000 Meter tiefen Tauchgängen eingesetzt werden können. Der Leitstand des Tauchroboters füllt seinen Container so sehr, dass normalerweise neben zwei Rov- Piloten immer nur zwei Wissenschaftler darin arbeiten: der den Tauchgang leitende Wissenschaftler und ein Protokollführer. Für den Rest des Teams werden die hochauflösenden Bilder der HDTV- Kameras direkt in das Schiffnetz gespeist und auf einer großen Leinwand dargestellt. Da nach der langen Anfahrt ein sehr intensives Untersuchungsprogramm mit langen Tauchfahrten geplant ist, werden wohl alle Wissenschaftler an Bord Gelegenheit dazu bekommen, die Tauchgänge des Quest im Steuercontainer zu begleiten. In den Sedimenten der Ozeane und in den Klüften und Spalten der darunter liegenden ozeanischen Kruste sind Wasser und Gas gespeichert. Diese Fluide sind mobil und nicht dauerhaft innerhalb der Sedimente und Krustengesteine eingeschlossen. Durch das Gewicht des darüberliegenden Meeresbodens und des Ozeans, durch Temperatur- und Dichtegradienten sowie tektonische Bewegungen entstehen Risse und Spalten, entlang derer sich die im Porenraum gespeicherten Fluide einen Weg in den freien Ozean bahnen. Eine besondere Vergesellschaftung von Muscheln, Würmern und Bakterien ist der sicherste Anhaltspunkt für solche untermeerischen kalten Quellen. Lautlos huschen weiße Krabben über den Meeresgrund, wiegen sich meterlange Röhrenwürmer in der Strömung und bauen sich riesige Muschelbetten auf. In der lichtlosen Umgebung der Tiefsee ist das Leben auf alternative Energiespender angewiesen Fotosynthese treibende Grünpflanzen gibt es hier nicht. Die Muscheln und Würmer leben daher in Symbiose mit Bakterien, die in der Lage sind, das in den Fluiden enthaltene Methan und den Schwefelwasserstoff zu oxidieren und mit der so gewonnenen Energie organische Verbindungen aufzubauen (diesen Vorgang bezeichnet man als Chemotrophie). Die Forscher auf der Meteor wollen herausfinden, wie chemische, physikalische und geologische Parameter diese Seep-Ökosysteme prägen und den Umsatz des klimarelevanten Gases Methan kontrollieren. Sie erhoffen sich damit eine Antwort auf die Frage, welche Rolle chemosynthetische Seep-Organismen im Klimageschehen spielen. 20. Ju l i 2008: Dem Me t h a n g a s a u f d e r Sp u r Viele Leute können etwas nur beschreiben, wenn sie es betrachten.

4 marine Mikrobiologie Die Aufnahme mit dem Parasound-System zeigt eine Gasfahne in der Wassersäule (oben). Mit dem Multibeam-Echosounder lässt sich der Meeresboden visualisieren, hier die Schlammvulkane des Kongo-Canyons (unten). Geophysiker hingegen müssen etwas beschreiben, ohne es jemals zu sehen, indem sie verschiedene physikalische Merkmale des Materials wie z. B. seine akustischen Eigenschaften messen. Ich als Geophysiker werde während dieses Abschnitts M76-3b für die Betreuung einiger akustischer Systeme wie den Echosounder und das Parasound-System zuständig sein. Was für Informationen bekommen wir von diesen Messsystemen? Der Multibeam-Echosounder dient dazu, eine Echtzeit-Visualisierung des Meeresbodens zu bekommen. Der Parasound hingegen liefert uns Informationen über die Sedimente unterhalb des Meeresbodens und erlaubt es uns Geophysikern, verschiedene komplexe Untergrundstrukturen zu erkennen. Aber nicht nur das, mit dem Parasound können wir außerdem Gasfahnen in der Wassersäule bis zu einer Tiefe von 4000 Metern oder tiefer erkennen, ist das nicht großartig? Das erste Mal, als ich eine solche Gasfahne sah, war ich wirklich sehr erstaunt. Es war schwer zu glauben, dass ein so großes und starkes akustisches Signal in der Wassersäule durch winzige Gasbläschen auf ihrem Weg an die Meeresoberfläche erzeugt wird! Das Phänomen dieser Gasaustritte aus dem Meeresboden ist sehr wichtig, da das klimarelevante Methangas, Hauptbestandteil der Gasbläschen, ein sehr aggressives Treibhausgas ist, sobald es die Atmosphäre erreicht. Vermutlich wäre nur relativ wenig über diese Gasvorkommen bekannt, wenn sie nicht eine besondere Wirkung auf Schallwellen hätten, die die Forscher zur Erkundung der Meeresböden einsetzen. Durch die geringe Dichte und Schallgeschwindigkeit von Gas im Vergleich zum umge 4/2008 Ma x P l a n c k F o r s c h u n g 45

5 benden Sediment kommt es zu einem besonders deutlichen Echo, aber auch zu einer Anregung von Schwingungen dieser Gasblasen. Je nach Signaleigenschaften kann sogar die weitere Ausbreitung der seismischen Welle vollkommen unterbunden werden, ein sicherer Hinweise auf Gas in den Porenräumen. Diese Gase entstehen, wenn organisches Material durch biologische und chemische Prozesse abgebaut wird. Sie sammeln sich zunächst im Wasser gelöst in den Porenräumen der feinkörnigen Sedimente am Meeresboden an und bauen großflächige Reservoire auf. Nur wenn ein Riss etwa entlang einer Störungsfläche entsteht, bietet sich ein Aufstiegsweg Quest-4000 hat seinen ersten Sichtkontakt zum Meeresboden: ein dicht besiedeltes Ökosystem über einer Gasquelle (oben). Mit einem kalibrierten Trichter (unten) wird aufsteigendes Methangas gemessen Energielieferant für die kalten Quellen. an, sofern der Überdruck in der Tiefe ausreicht, den Spalt zu öffnen. Eine erhebliche Menge von Gas, Wasser und wahrscheinlich auch Sediment werden dann meist konzentriert an einer Stelle ausgeworfen. Dabei kommt es zu einer Aufwölbung wie bei einem Vulkan (Schlammvulkan). Danach kann der Meeresboden einsinken und mehrere hundert Meter breite und bis zu 30 Meter tiefe Löcher, sogenannte Pockennarben (engl. pockmarks), hinterlassen. Sobald diese Senken im Meeresboden und die Gasfahnen identifiziert sind, werden die Spezialisten an Bord der Meteor versuchen, Proben und hochauflösende Aufnahmen zu erhalten von Gashydraten und den verschiedenen Arten biologischer Lebensgemeinschaften, die an diesen Gasaustritten vorkommen. 23. Ju l i 2008: Ko m m, l a s s u n s a b tau c h e n! Nach über einer Woche Transit, eifriger Vorbereitung und intensivster Planung war es heute Morgen endlich so weit: das Rov Quest trat sei- 4 6 Ma x P l a n c k F o r s c h u n g 4/2008

6 marine Mikrobiologie nen ersten Tauchgang an. Mit größter Spannung erwarteten sowohl Besatzung als auch Wissenschaftler den Missionsbeginn. Leider wurde der Euphorie nach wenigen Minuten ein herber Dämpfer versetzt. Aufgrund eines elektronischen Problems musste der Tauchgang vorerst abgebrochen werden, und der rote Koloss wurde wieder an Bord gehievt. Nach einer knappen halben Stunde war das Problem behoben und eine Zahl an Schaulustigen durfte ein zweites Aussetzen bewundern, diesmal ohne Probleme. Nach zwei Stunden des Abtauchens auf über 2750 Meter Wassertiefe offenbarte sich endlich das, worauf alle gewartet hatten: der Meeresboden. Die Erkundung konnte beginnen. Erstes Ziel war nun das Auffinden von Gasaustrittsquellen. Basierend auf den Gasfahnen, die in der Nacht zuvor mithilfe von akustischen geophysikalischen Messungen bestimmt worden waren, dauerte es keine halbe Stunde, und die ersten Gasblasen waren gefunden. Trotz einiger technischer Probleme, die bei dem ersten Tauchgang einer Expedition oft auftreten können, konnte ein großer Teil des wissenschaftlichen Programms durchgeführt und Probenmaterial geborgen werden, bevor der Tauchgang wegen einer Ölleckage abgebrochen werden musste. So wurden Gasblasen in speziell angefertigten Druckbehältern gesammelt, Sedimentproben in sogenannten Push Cores (kleinen Kuchenform-ähnlichen Stechzylindern), Netze gefüllt mit Muscheln und Röhrenwürmern und kleine Fläschchen mit Wasserproben. Ein ordentliches Ergebnis für den ersten Tauchtag. Für viele von uns beginnt nun die lang erwartete Arbeit: Die ersten Proben können untersucht, quantifiziert, aufbereitet oder gar schon analysiert werden. Die sogenannten Regab-Pockmarks am Kontinentalhang von Westafrika zeichnen sich durch eine besonders hohe Biomasse und Vielfalt ihrer Lebensgemeinschaften aus. Ihre Se dimente bergen enorme Gasspeicher, darunter auch das klimagefährdende Methan in Form von Gashydrat. Es bildet sich in großer Tiefe und bei geringer Temperatur, wie hier bei etwa 4ºC in 3000 Meter Wassertie fe. Methan und andere assoziierte Substanzen sammeln sich in bestimmten Bereichen des Sediments und verfestigen sich unter den gegebenen Umständen zu einer eisartigen Masse, den Gas hydraten. Dabei bilden die Wassermoleküle eine käfigartige Kristallstruktur, in der die Gasmoleküle eingeschlossen sind. Das Gemisch friert zu kaltem, weißem Methanhydrat und ist dem Wassereis damit tatsächlich sehr ähnlich. Ein Kubikmeter Gashydrat kann aufgrund dieser spezifischen Struktur 164 Kubikmeter Methan binden. 24. Ju l i 2008: Matsch an Bord Wir haben heute begonnen, mit einem Schwerelot den Meeresboden zu beproben. Ein solches Schwerelot ist ein mehrere Meter langes Stahlrohr, an dessen oberen Ende ein 1,5 Tonnen schweres Gewicht montiert ist. In das Stahlrohr wird ein Plas - tik rohr, der sogenannte Liner, eingebracht. Das Gerät wird dann zum Meeresboden hinuntergelassen und drückt sich durch das hohe Eigengewicht langsam ins Sediment. Nach der Bergung des Schwerelots wird der Liner, der nun das Sediment enthält, aus dem Lot entnommen, zersägt und beprobt. Bereit im ersten Versuch kamen mit dem Lot große Mengen Gashydrat mit an Deck. Die Gashydratbrocken wurden aus dem Kern gesucht und in flüssigem Stickstoff eingefroren, da das Gashydrat bei den hohen Temperaturen und dem niedrigen Druck an der Oberfläche sofort zu zerfallen beginnt. Neben dem Methangas ent - hielt der Kern auch jede Menge des übel riechenden Schwefelwasserstoff- Gases, ein Produkt aus dem mikrobiellen Umsatz von Methan. Der Schwefelwasserstoff reagiert stark mit Silber so haben einige Kollegen Die Probennahme im Geolabor (oben und Mitte) ist eine matschige Angelegenheit. Auf der Suche nach dem weißen Gold des Meeresbodens werden die Forscher fündig: An der Luft kann sich das Methaneis entzünden (unten).

7 Faszination Forschung Vom ROV-Leitstand aus (oben) beobachten die Forscher den Meersboden, auf dem sie Holz und andere Materialien für Besiedelungs experimente ausgebracht haben. Mit dem Handheld werden Sauerstoff, Temperatur und ph gemessen (unten). nun schwarze Verlobungsringe am Finger. Der zweite Kern wurde im Kühllabor geschlachtet, in dem das Porenwasser mit sogenannten Rhizonen in Spritzen aufgenommen wird, und die empfindlichen chemischen Parameter umgehend im Schiffslabor gemessen werden können. Der Rest des Kerns wurde für eventuelle spätere Untersuchungen verschlossen und im Kühlraum gelagert, sowie später im Kern-Archiv des Marum. Damit solche spektakulären Strukturen wie das Regab-Pockmark entstehen können, bedarf es einer günstigen Kombination von Faktoren. Im Kongobecken ist es eine mächtige Salzschicht, die in der Kreidezeit im Südatlantik gebildet wurde. Sie wird heute in großer Tiefe durch Druck deformiert und steigt aufgrund ihrer geringen Dichte an vielen Stellen auf. Dabei drückt sie die darüber liegenden Sedimentschichten hoch, und diese zerbrechen entlang vieler Störungsflächen, die dem Gas den Weg nach oben erleichtern. Die Pockmarks finden sich gerade genau über diesen aufsteigenden Salzkörpern, die den Gasfluss konzentrieren und so die zahlreichen Austrittsstellen versorgen. Die Forscher wollen herausfinden, wie diese faszinierenden Tiefseehabitate des westafrikanischen Kontinentalrands an geologische und biogeochemische Prozesse der Gasund Flüssigkeitsausstritte gekoppelt sind und warum gerade hier die Artenvielfalt so groß ist. 28. Ju l i 2008: Me g a fa u n a a u s d e r Tiefe! Während der letzten beiden Tauchgänge haben wir Proben von einem der verschiedenen Muschelhabitate von Regab genommen. Mit einem Netz konnten wir eine neue Muschelart (Genus Calyptogena) beproben. Weiterhin konnten wir zwei verschiedene benthische Kammern zur Messung des Methanaustrittes sowie der Sauerstoffzehrung von Lebewesen am Meeresboden einsetzen. Die Muscheln unter der Kammer können wir anschließend mit einer Art Kastengreifer quantitativ beproben. An Deck werden die Muscheln dann gezählt, gewogen und ihre Größe vermessen. Die Calyptogena- Muscheln sind auf besondere Weise an die extremen Bedingungen an den Methanquellen angepasst: Sie haben spezielle Blutpigmente, die wir untersuchen wollen. Einige Arten haben ein Hämoglobin, das die toxische Substanz Sulfid binden kann. Was für die Muschel selber Gift ist, ist Energie für ihre Symbionten, die in der Muschelkieme leben: Bakterien, die von der Veratmung von Sulfid leben. Die Muschel transportiert das Sulfid zu den Bakterien, die dafür den Wirt füttern. Die verschiedenen Blutpigmente der Muscheln sind auch an verschiedene Sauerstoffkonzentrationen angepasst, da Sauerstoff an Methanquellen Mangelware sein kann. Die Symbiose zwischen chemoautotrophen Bakterien und ihrem Wirtstier, wie im Fall der Calyptogena-Muscheln, kann artspezifisch sein. Das bedeutet, dass sich Muschel und Bakterium zusammen entwickelt und so eng aufeinander abgestimmt haben, dass sie mit keinem anderen Partner eine Symbiose eingehen können. Doch neben den chemoautotrophen Symbiosen finden sich auch frei lebende Mikroorganismen, deren Vielfalt und physiologische Leistungen nur unzureichend bekannt sind. Bio diversitäts-analysen der Mi kro or ganismen anhand molekularbiologischer Methoden sowie Bio markeranalysen sollen dazu Informationen liefern. Noch ist das Potenzial dieser außergewöhnlichen Lebensgemeinschaften an den Cold Seeps nicht bekannt. Die Menge an reduzierten Verbindungen und die Effizienz, mit der diese genutzt werden, müssen die Forscher erst erfassen. Die Messungen der Methanund Sulfatflüsse und weiterer mikrobieller Umsatzraten werden helfen, die Mikrohabitate zu charakterisieren.

8 17./18. Au g u s t 2008: QUEST 226 d e r letzte Ta u c h g a n g Die kurze Zusammenfassung von Tauchgang 226, der in den frühen Morgenstunden des 19. August endete: ein voller Erfolg! Wir haben alle unsere Aufgaben abarbeiten können, bevor uns das Öl ausging und aufgetaucht werden musste. Na gut, beim Videomosaik haben wir uns einige Male verirrt und konnten nicht alle Transekte wie geplant abfahren haben aber dennoch eine Menge gesehen. Wir haben die Experimente bergen können, sowohl die Tracs (i.e. Die wissenschaftlichen Teilnehmer der Reise M76/3b (oben) können eine Vielzahl von Proben vom Meeresboden des Regab-Pock - marks (unten) mit nach Hause nehmen viel Arbeit für die Zeit nach der Rückkehr. Experimente zur Besiedlung verschiedener Materialoberflächen durch Larven von Tiefseeorganismen) wie auch noch ein Stück vom Holz, das wir vor drei Wochen versenkten. Inzwischen haben hier jede Menge Krebse ihr Zuhause gefunden, merkwürdigerweise auch ein ganzer Schwarm von Shrimps, die sonst nur an den Röhrenwürmern und Muschelbetten zu finden sind. Die Shrimps scheinen doch recht flexibel bei der Partnerund Nahrungswahl: Eine konnten wir dabei beobachten, wie sie die Ausscheidungen einer vesicomyiden Muschel auffraß, die gar nicht so schnell nachlegen konnte, wie der Faeces verschwand andere stritten sich um einen Wurm. Um 06:15 am Morgen des 19. August enden die wissenschaftlichen Arbeiten im Regab-Gebiet, und die Forscher auf der Meteor treten die Heimreise an. Noch fünf Tage bis Walvisbaai Zeit zum Erholen, Aufräumen, Daten- und Probensortieren sowie Containerpacken. Der vollständige Forscher-Blog findet sich auf den Webseiten von www. planeterde.de veröffentlichten Forscher-Blogs. Bearbeitet von Christina Beck 4/2008 Ma x P l a n c k F o r s c h u n g 49