Forschung 19.10.2012, 19:55 Uhr

Chemisches Gedächtnis der Meere hilft Klimaforschern

Wissenschaftler untersuchen die im Ozean gelösten Biomoleküle und lesen in ihnen wie in einem Geschichtsbuch des Meeres. Per ultrahochauflösendem Massenspektrometer können sie mit einer einzigen Messung Tausende Einzelkomponenten des gelösten organischen Materials gleichzeitig identifizieren. So ließe sich herausfinden, woher das einzelne Molekül stammen könnte.

Wasser vergisst nicht, sagt Boris Koch, Chemiker am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. Egal, was im Meer passiert, ob die Sonne scheint, Algen blühen oder eine Schule Delfine durch ein Seegebiet schwimmt – alles und jeder hinterlässt biomolekulare Spuren. Einige davon können jetzt mithilfe einer Kombination neuer Techniken ausfindig gemacht und zurückverfolgt werden.

Tümpel, Torflöcher und Straßengräben voll abgestandenem Regenwasser haben den Chemiker Koch früher nie interessiert. „Ich dachte damals, ein jeder kennt diese braune Brühe was soll an ihr schon interessant sein. Heute arbeiten wir mit genau jenen Substanzen, die das Wasser im Straßengraben so braun färben – genauer gesagt mit gelöstem organischen Material, das nicht nur in Tümpeln, sondern natürlich auch in den Weltmeeren vorkommt“, erklärt Koch, der das Forschungsprojekt initiiert hat. 

In den Ozeanen ist die Konzentration dieser sogenannten Biomoleküle geringer als im Straßengraben. Würde man aber alles Meerwasser dieser Welt durch ein für Biomoleküle durchlässiges Sieb kippen und alle Bestandteile in Kohlenstoffeinheiten umrechnen, sähe das Verhältnis anders aus: Im Sieb lägen schätzungsweise 25 Mrd. t gebundener Kohlenstoff. Er stammt hauptsächlich aus den Überresten abgestorbener Meeresorganismen sowie aus der Biomasse von lebenden Walen, Fischen, Algen, Bakterien, Seegras und anderer Meeresbewohner. Unter dem Sieb aber würden sich ca. 662 Mrd. t gelöster organischer Kohlenstoff türmen, in Form Zehntausender verschiedener Substanzen.

Diese vielen Substanzen haben Kochs Neugierde geweckt. „Wir wissen bis heute nicht, wie viel organisches Material ins Meer gelangt oder dort produziert wird und warum nicht alles biologisch abgebaut wird. Zudem sind die einzelnen gelösten Biomoleküle so gering konzentriert, dass wir unsere Wasserproben stets anreichern müssen, um das darin enthaltene gelöste organische Material in einem ultrahochauflösenden Massenspektrometer am Helmholtz Zentrum München untersuchen zu können“, sagt der Meereschemiker, der eine Kooperationsprofessur zwischen dem Alfred-Wegener-Institut und der Hochschule Bremerhaven innehat. 

Mithilfe des Münchener Massenspektrometers ist es den Bremerhavener Forschern erstmals gelungen, im Zuge einer einzigen Messung Tausende Einzelkomponenten des gelösten organischen Materials, kurz DOM (engl. dissolved organic matter), gleichzeitig zu identifizieren.

„Das Gerät nennt uns die chemische Summenformel eines jeden Moleküls und gibt an, wie viel Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff es enthält. Diese Angaben benötigen wir, um herauszufinden, woher das einzelne Molekül stammen könnte“, erklärt Koch.

Am Ende der Analyse ergibt sich so ein chemischer Fingerabdruck, der über statistische Berechnungen konkrete Rückschlüsse auf jenes Wasser zulässt, in dem das gelöste organische Material einst geschwommen ist. „Es scheint, als hätten wir eine Möglichkeit gefunden, den chemischen Gedächtnisspeicher des Wassers zu nutzen“, sagt Koch. So können die Wissenschaftler zum Beispiel sagen, wie alt das gelöste Material ist, ob es bei seinem Weg durch die Weltmeere starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt war oder welche Bakterien und Planktonarten vermutlich einst im selben Wasserkörper geschwommen sind. 

„Wir können sogar verfolgen, welcher Anteil des DOM seine Spuren in der Atmosphäre hinterlässt. Gischt und Wellen können DOM nämlich in die Luft transportieren, wo es einen wesentlichen Einfluss auf das Klima hat“, ergänzt Philippe Schmitt-Kopplin vom Institut für Ökologische Chemie am Helmholtz Zentrum München.

Die wichtigsten Fragen kommen aus der Klimaforschung. Koch: „Das gelöste organische Material im Ozean ist eines der größten aktiven Kohlenstoffreservoirs der Erde. Doch bisher wird seine Speicherkapazität in der Klimaforschung nur wenig berücksichtigt, dabei bindet es Kohlendioxid über Zeiträume von 3000 Jahren und mehr – so alt war unser Probenmaterial im Schnitt.“ 

Für den Forscher geht es nun darum, diese Wissenslücken zu schließen und mehr über die Rolle des Materials im globalen Kohlenstoffkreislauf herauszufinden. Anwendung dürfte das chemische Analyseverfahren zudem in anderen Teildisziplinen der Meeresforschung finden: Ozeanografen könnten den chemischen Fingerabdruck des DOM immer dann zu Rate ziehen, wenn sich Wassermassen anhand von Temperatur- und Salzgehaltwerten allein nicht unterscheiden lassen. „Zudem wollen wir auf einer der nächsten Expeditionen des Forschungsschiffes Polarstern gemeinsam mit Biologen untersuchen, ob das DOM der Wassermassen entlang der Wanderrouten südlicher Seeelefanten bestimmte chemische Gemeinsamkeiten aufweist. Vielleicht finden wir ja einen Beweis dafür, dass sich diese Meeressäuger mithilfe des ‚Wasserduftes’ orientieren“, sagt der Chemiker.

Er persönlich sieht heute in Anbetracht der neuen Erkenntnisse auch jeden Wassergraben mit anderen Augen. Koch: „Jetzt wissen wir, dass echte chemische Informationen in jedem Wassertropfen stecken, und dank der neuen Technik können wir diese jetzt auch greifbar machen.“ ber

Von Bettina Reckter

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