Der Meeresboden wirkt auf den ersten Blick lebensfeindlich. Dunkelheit, hohe Drücke und oft extreme chemische Bedingungen prägen viele Regionen. Doch gerade dort, wo aus dem Untergrund heißes Wasser austritt, entstehen ungewöhnliche Lebensräume. Hydrothermale Quellen liefern chemische Energie und Mineralstoffe – und offenbar auch Kohlenstoff aus dem Erdinneren.
Eine neue Studie zeigt nun, dass dieser sehr alte Kohlenstoff nicht einfach im Meer verdünnt wird. Mikroorganismen nehmen ihn auf und bauen ihn in ihre Biomasse ein. Von dort gelangt er weiter durch das gesamte Nahrungsnetz. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Communications Earth & Environment.
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Kohlenstoff aus dem Erdinneren
Hydrothermale Quellen entstehen dort, wo Wasser durch Risse im Meeresboden in tiefere Gesteinsschichten eindringt. In der Tiefe wird das Wasser erhitzt, löst Mineralstoffe und Gase aus dem Gestein und steigt anschließend wieder auf.
Dabei gelangt auch Kohlendioxid ins Meer. Dieses CO₂ kann geologisch sehr alt sein. Es stammt entweder direkt aus dem Erdmantel oder entsteht, wenn karbonathaltige Gesteine unter hohen Temperaturen umgewandelt werden. Solche Prozesse treten vor allem in geologisch aktiven Regionen auf, etwa entlang von Plattengrenzen oder vulkanischen Zonen. Was mit diesem Kohlenstoff geschieht, sobald er in den Ozean gelangt, war bislang kaum untersucht.
Ein natürliches Labor vor Taiwan
Ein internationales Forschungsteam untersuchte dafür ein Hydrothermalsystem vor der taiwanesischen Insel Kueishantao. Die Quellen liegen in etwa zehn Metern Wassertiefe. Dadurch sind sie deutlich leichter zugänglich als die bekannten Tiefseequellen entlang der mittelozeanischen Rücken.
An der Studie waren Forschende vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, der National Sun Yat-sen University sowie dem Exploration and Development Research Institute in Taiwan beteiligt.
Ihr Ziel war es, den Weg des Kohlenstoffs durch das umgebende Ökosystem nachzuverfolgen. „Wir konnten zeigen, dass sehr alter Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen Leben in diesen extremen Systemen antreiben kann“, sagt Joely Maak, Erstautorin der Studie vom MARUM.
Radiokohlenstoff als geochemischer Fingerabdruck
Um diesen Weg sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden Radiokohlenstoff (14C). Dieses Isotop entsteht in der oberen Atmosphäre durch kosmische Strahlung und gelangt über Kohlendioxid in den globalen Kohlenstoffkreislauf.
Pflanzen, Mikroorganismen und Tiere nehmen es ständig auf. Solange ein Organismus lebt, bleibt sein Anteil an 14C weitgehend stabil. Wird der Kohlenstoff jedoch über sehr lange Zeiträume von der Atmosphäre getrennt, beginnt das Isotop zu zerfallen. Nach einigen zehntausend Jahren ist es kaum noch nachweisbar.
Kohlenstoff aus dem Erdinneren enthält deshalb praktisch kein Radiokohlenstoff mehr. Forschende sprechen von „14C-totem“ Kohlenstoff. Genau diese Eigenschaft nutzte das Team als natürlichen Marker.
„Der Ansatz der Studie war es, den alten, 14C-freien Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen als natürlichen Marker zu nutzen. Dass sich der Fingerabdruck so deutlich durch das gesamte Nahrungsnetz, auch in höhere Organismen verfolgen lässt, war auch für uns überraschend“, sagt Dr. Hendrik Grotheer, Geochemiker am Alfred-Wegener-Institut.
Mikroorganismen bauen den Kohlenstoff ein
Die zentrale Rolle im Hydrothermalsystem spielen Mikroorganismen. Sie können Kohlendioxid in organische Substanz umwandeln – auch ohne Sonnenlicht. Dabei nutzen sie chemische Energie aus den hydrothermalen Fluiden. Dieser Prozess wird Chemosynthese genannt.
Ein wichtiger Stoffwechselweg ist der sogenannte reduktive Tricarbonsäurezyklus (rTCA). Vereinfacht gesagt handelt es sich um eine umgekehrte Form des bekannten Zitronensäurezyklus, mit dem Zellen normalerweise Energie gewinnen. In diesem Fall dient der Zyklus jedoch dazu, Kohlendioxid in Biomasse einzubauen.
Die Messungen zeigen, dass bis zu 30 % der bakteriellen Biomasse an den Quellen aus hydrothermalem Kohlenstoff bestehen können.
Krebse ernähren sich von den Mikroorganismen
Die Mikroorganismen bilden die Grundlage des lokalen Nahrungsnetzes. Andere Organismen ernähren sich direkt oder indirekt von ihnen. So konnten die Forschenden den geologisch alten Kohlenstoff auch im Gewebe von Tieren nachweisen. Dazu zählen etwa Krebse, die in unmittelbarer Nähe der hydrothermalen Quellen leben.
Weil ihr Körpergewebe diesen alten Kohlenstoff enthält, erscheint es in Radiokohlenstoffmessungen deutlich älter als das tatsächliche Alter der Tiere.
Moderne Analytik macht den Weg sichtbar
Um diese Zusammenhänge nachzuweisen, kombinierte das Team mehrere Methoden. Neben Radiokohlenstoffmessungen analysierten die Forschenden auch spezielle Fettsäuren aus Bakterien. Diese Moleküle dienen als sogenannte Biomarker. Sie zeigen, welche Mikroorganismen aktiv sind und welche Stoffwechselwege sie nutzen.
„Nur durch die Kombination der Untersuchung spezifischer bakterieller Marker, sogenannter Fettsäuren, und Radiokohlenstoff-Analysen an diesen Fettsäuren war es möglich, diese neuen Befunde zu erlangen, also eine Kombination aus modernster Technik und sorgfältigster Laborarbeit“, erklärt Projektleiter Dr. Enno Schefuß vom MARUM.
Zusätzliche Wasserstoffisotopen-Analysen halfen außerdem dabei, zwischen Chemosynthese und Photosynthese zu unterscheiden.
Auch Photosynthese nutzt hydrothermalen Kohlenstoff
Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur chemosynthetische Mikroorganismen eine Rolle spielen.
Auch weiter entfernt von den Quellen können photosynthetische Organismen den aus hydrothermalen Quellen stammenden und im Meerwasser gelösten Kohlenstoff aufnehmen. Damit gelangt der geologisch alte Kohlenstoff in Bereiche des Ökosystems, die nicht mehr direkt von den heißen Quellen beeinflusst werden. Allerdings bleibt nur ein Teil dieses Kohlenstoffs im lokalen Nahrungsnetz.
„Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass trotz dieser verschiedenen Aufnahmewege nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des insgesamt freigesetzten Kohlenstoffs tatsächlich im lokalen Ökosystem verbleibt. Der Großteil des freigesetzten CO2 entzieht sich der direkten biologischen Nutzung und wird mit den umgebenden Wassermassen in den Ozean verteilt oder gelangt in die Atmosphäre“, sagt Joely Maak.
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