Leben im Extremen

Wasserblasen am Meeresgrund

Im Scheinwerferlicht eines Tauchroboters erscheint die extrem salzige Wasserblase (engl. Sole Pool) in 2100 Metern Tiefe am Boden des Roten Meers undurchsichtig. Sie wirkt so milchig, weil der hohe Salzanteil für eine andere Lichtbrechung sorgt als beim Meereswasser in der Umgebung. Die Blase hat außerdem eine höhere Dichte und ist deshalb in strömungslosen Tiefseesenken sehr stabil.

Bislang sind solche supersalzigen Blasen fast nur aus seismisch aktiven Meerestiefs im Roten Meer, dem Mittelmeer und dem Golf von Mexiko bekannt. Dort lösen sich uralte Salzablagerungen aus dem Meeresboden, die noch aus vorherigen Ozeanen stammen. Die des Roten Meeres sind über fünf Millionen Jahre alt.

Die 56 Grad heiße Lake ist siebenmal salziger als Meerwasser, sauerstoffarm und säurehaltig. Außerdem steigen aus Hydrothermalquellen am Meeresboden auch noch Schwefelwasserstoff und Metallverbindungen auf. In dem für andere Lebewesen toxischen Ambiente fühlen sich extremophile Bakterien richtig wohl, sie wachsen dort in dichten Teppichen und sind ein verlockendes Mahl für viele Tiere. Die Mahlzeit ist allerdings riskant: Geraten die kleinen Garnelen und andere Jäger versehentlich in die Sole, werden sie durch den Sauerstoffmangel betäubt oder gleich getötet. So werden sie zu einer leichten Beute für größere Fische, die am Rand der Soleblase lauern. Die Bakterienteppiche zeigen eine weitere wichtige Eigenschaft der Extremophilen: Die dichten Kolonien bilden oft schleimige Biofilme, womit sie sich nicht nur vor chemischen Angriffen schützen, sondern auch davor, auszutrocknen oder weggespült zu werden.

Die exotische Geo- und Biochemie solcher Grenzgebiete zwischen Meer und Meeresboden bietet perfekte Lebensbedingungen für extremophile Lebensgemeinschaften, erklärt Sam Purkis. Er leitet die Meeresgeologie der University of Miami und hat 2020 mit einem interdisziplinären Team auf dem Forschungsschiff RV OceanXplorer die Sole Pools im Roten Meer erkundet.

Im Golf von Akaba, der langgezogenen nördlichen Bucht des Roten Meeres, machte Purkis eine erstaunliche Entdeckung: Soleblasen in flacherem Wasser nur zwei Kilometer vor der Küste Saudi-Arabiens, ohne tektonische Aktivität, und nur 21 Grad warm.

Nicht nur in der übersalzigen Wasserblase, sondern auch im Meeresboden darunter existiert kaum Leben. Übliche Bodenbewohner wie Würmer und Weichtiere können ohne Sauerstoff und in konzentrierter Salzlösung nicht leben. Ohne ihre Wühltätigkeit liegen dort seit mindestens 1200 Jahren unberührte Sedimentschichten, die wie in einer Zeitkapsel die bewegte Geschichte von Klima und Tektonik der nahen Küste archivieren. Die Bohrkerne des Meeresbodens liefern den Forschern also eine ununterbrochene Aufzeichnung vergangener Regenfälle, Erdbeben und Tsunamis.

Die Erkenntnis: Etwa alle 25 Jahre haben starke Regenfälle und etwa alle 100 Jahre Tsunamis zu Überflutungen der Küste geführt. Auf der Basis dieser geologischen Daten können die Städte, die am Golf von Akaba entstehen, ihren Küstenschutz planen.

Helferlein für die Verdauung

Flirrendes Smaragdgrün, schimmerndes Schwarz und schillerndes Rubinrot – die in Nordwest-Amerika lebenden Schwarzkinn- und Annakolibris sehen aus wie fliegende Edelsteine. Nur Biologen denken beim Anblick der ästhetischen Mini-Vögel an deren Darm und Exkremente. Die Mikroben-Wohngemeinschaft („Mikrobiom“) im tierischen Darm ist nämlich maßgeblich verantwortlich für die Fitness, den Gesundheitszustand und das glänzende Gefieder der Kolibris. Kotanalysen geben Aufschluss über die Zusammensetzung des Mikrobioms. Die Bakterien-Community hat sich im Laufe der Evolution gemeinsam mit dem Wirt entwickelt: So haben die Vögel durch ihre körperlichen Höchstleistungen beim Fliegen ein grundsätzlich anderes Mikrobiom als etwa Menschen. Da der dunkle Darm ein extremer Lebensraum ist, leben dort auch extremophile Mikroorganismen.

Als Bestäuber im Obst- und Gemüseanbau sind die kalifornischen Kolibris wichtig für den landwirtschaftlichen Erfolg. Darum erforscht die Ökologin Rachel L. Vannette der California University mit ihrer Arbeitsgruppe diese kleine extremophile Wohngemeinschaft. Aufgrund des jahreszeitlich unterschiedlichen Bedarfs an Proteinen und Fetten schwankt die Zusammensetzung der Darmbakterien saisonal: Direkt nach der Eiablage ist das Mikrobiom bei Kolibri-Weibchen anders zusammengesetzt. Die Forscher vermuten, dass die Bakterien-Community dann auf den hohen Proteinbedarf der Mutter zugeschnitten ist.

Der ist auch bei anderen Höchstleistungen gegeben und ebenfalls im Mikrobiom sichtbar: beispielsweise bei der winterlichen Migration der 3,5 Gramm leichten Schwarzkinnkolibris über Hunderte von Kilometern von Kalifornien bis nach Mexiko oder beim jährlichen Gefiederwechsel.

Offenbar hat die Nahrung einen Einfluss auf die Zusammensetzung des Mikrobioms: Vögel, die an Futterstellen künstlichen Saccharose-Nektar saugen, haben eine andere Darmgemeinschaft als Artgenossen, die natürlichen Blütennektar aufnehmen. Die Fütterung kann zwar Vogelpopulationen gerade in nahrungsarmen Zeiten vor dem Verhungern bewahren, allerdings verändert sie das Mikrobiom. Welche Auswirkungen das auf die Fitness der Vögel hat, ist noch unbekannt, daran wird Rachel L. Vannette mit ihrem Team weiter forschen.

Leben unter Marsgestein

In einem Hexenkessel mit Vulkanausbrüchen, extrem hohen Temperaturen, starker UV-Strahlung und einer sauerstofflosen Atmosphäre voller Methan und Ammoniak entstand vor über vier Milliarden Jahren das irdische Leben, vermutlich in den Tiefen eines Urozeans. Der fossile Nachweis dieser ersten und extremophilen Lebensformen ist allerdings schwierig. Wegen der Verwitterung und Plattentektonik sind auf der Erde nur wenige so alte Teile der Erdkruste erhalten. Deswegen sind die 4,3- bis 3,7-Milliarden Jahre alten Bändereisenerz-Schichten mit fossilen Urmikroben in der kanadischen Nuvvuagittuq-Formation für Forscher besonders interessant.

In seiner Frühzeit war wohl auch unser Nachbarplanet Mars bewohnbar: Vermutlich schwappte dort bis vor zwei Milliarden Jahren flüssiges Wasser auf der Oberfläche. In dieser Zeit könnte auch auf dem Roten Planeten einfaches Leben entstanden sein. Einige Forscher hoffen, dass Gesteine und vielleicht sogar Lebensspuren aus dieser Zeit auf dem Mars besser als auf der Erde konserviert sein könnten. Darum ist die Suche nach dem Ursprung des Lebens auf unserem Heimatplaneten eng mit der Suche nach außerirdischem Leben verknüpft.

Bei einer Durchschnittstemperatur von minus 63 Grad und sehr niedrigem Druck ist heute – abgesehen von ein paar extrem salzigen Pfützen – kein flüssiges Wasser mehr auf der Mars-Oberfläche zu finden. Außerdem sei auch wegen der intensiven UV-Strahlung dort kein Leben mehr zu erwarten, sagt Petra Rettberg. Sie leitet die Astrobiologie-Forschungsgruppe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln. In den Labors experimentieren die Wissenschaftler deswegen mit Extremophilen von der Erde, „um daraus chemische und physikalische Grenzen für Leben, wie wir es kennen, zu ermitteln“, erklärt Rettberg.

Für Rettberg ist die aktuell laufende Mars Sample Return Campaign die interessanteste astrobiologische Mission: Der NASA-Rover Perseverance nimmt dafür bereits Gesteinsproben, die mit einer künftigen Mission eingesammelt und zur Erde gebracht werden sollen. Rettberg hofft, dass die Bodenproben komplexe organische Verbindungen enthalten, die biogenen Ursprungs sind oder sein können, sogenannte Biosignaturen. Falls in der Zukunft Mars-Extremophile entdeckt würden, könne man sie mit den irdischen Extremophilen vergleichen und herausfinden, ob Leben unter ähnlichen Bedingungen in ähnlicher Form entsteht.

Andere DLR-Experimente finden auf der Internationalen Raumstation (ISS) statt, die im Erdorbit in 400 Kilometern Höhe dahinsaust. Die ISS ist gleichzeitig ein extremer Lebensraum und eine Oase im Weltraum: Innen herrscht fast Schwerelosigkeit, aber ein ansonsten laues Klima, schließlich muss die Station dauerhaft für Menschen bewohnbar sein. Ihre Außenhülle hingegen ist dem eisigen Vakuum sowie der ionisierenden und kosmischen Strahlung des Weltalls ausgesetzt. Das macht die ISS zu einem einzigartigen Platz für die Erforschung von Lebensformen unter nichtirdischen Bedingungen.

Im Innern der Station haben die Mikroorganismen-Communities der orbitalen Wohngemeinschaft eine sehr ähnliche Zusammensetzung wie an vergleichbaren Orten auf der Erde, wie Rettberg und ihre Kollegen 2019 in der Fachzeitschrift Nature berichteten. Ganz anders sieht es auf der Weltraumseite der Raumstation aus: Im BioMex-Experiment hatten die DLR-Forscher ein simuliertes Marsgestein hergestellt und mit ausgewählten Mikroorganismen sowie Biomolekülen gemischt, etwa Cellulose, Chitin, Chlorophyll und Carotinoiden. Astronauten haben dann Tabletts mit der Mischung an der ISS-Außenhülle montiert.

Das Experiment zeigte, dass die Moleküle die extremen Bedingungen gut aushielten. Kritisch war jedoch die UV-Strahlung, die die meisten Biomoleküle zerstörte und Leben abtötete. Da auch die Mars-Oberfläche starker UV-Strahlung ausgesetzt ist, denken Rettberg und andere Astrobiologen, dass marsianische Biomoleküle am ehesten unter Sand und Steinen zu finden sein dürften – diese sind ein wirksamer Strahlungsschutz.