Ärzte Zeitung online, 11.08.2011

Bio-Brennstoffzelle treibt Leben in der Tiefsee an

Bremer Forscher beschreiben eine neue Energiequelle für das exotische Leben in der Tiefsee. Drei Kilometer unter der Oberfläche ziehen Bakterien ihre Energie aus Wasserstoff - eine biologische Brennstoffzelle fürs Leben in ewiger Dunkelheit.

Von Thilo Resenhoeft

Bio-Brennstoffzelle treibt Leben in der Tiefsee an

Tiefseemuscheln nutzen Bakterien, um Energie zu gewinnen.

© dpa

LONDON/BREMEN. Das abgeschiedene Leben in der Tiefsee erscheint mitunter so fremd wie das von einem anderen Planeten. Denn in der lichtlosen Tiefe viele Kilometer unter der Oberfläche liefert die Sonne keine Energie.

Die Organismen dort unten greifen daher auf chemische Energie zurück, um ihre Kohlenhydrate aufzubauen. Quelle ist unter anderem der Schwefelwasserstoff - ein widerwärtig riechendes und sehr giftiges Gas.

In Anlehnung an die Photosynthese auf der Erdoberfläche sprechen Forscher von der Chemosynthese. Die damit wachsenden Bakterien bilden die Grundlage weitgehend isolierter Ökosysteme in der Tiefe, mit Muscheln, Würmern und Krabben.

Organismen in Tiefsee besitzen eignes Kraftwerk

Viele Mitglieder dieser exotischen Lebensgemeinschaft können nur überleben, weil sie eine enge Beziehung mit Bakterien eingegangen sind (Symbiose). Damit besitzen sie ihr eigenes Kraftwerk.

Bislang waren nur zwei "Brennstoffe" bekannt, aus denen die symbiotischen Mikroorganismen Energie gewinnen: Schwefelwasserstoff und Methan. Bremer Forscher fügen dieser Liste nun einen dritten Treibstoff hinzu, den Wasserstoff.

Das Team um Nicole Dubilier vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und ihre Kollegen vom Exzellenzcluster MARUM an der Uni Bremen berichten über ihre Entdeckung im Fachjournal "Nature".

"Schwarzer Raucher"

Ort des Geschehens in der Tiefe sind heiße untermeerische Quellen. Sie entstehen dort, wo die Erdplatten aneinanderstoßen, Magma in die obere Erdkruste aufsteigt und das Seewasser aufheizt.

Dieses löst zahlreiche Mineralien aus der Erdkruste, bevor es - rund 400 Grad Celsius heiß - am Meeresboden austritt. Oft ist es dann dunkel gefärbt, was den sogenannten hydrothermalen Quellen den Namen "Schwarzer Raucher" (black smoker) eintrug.

In 3000 Metern Tiefe am mittelatlantischen Rücken, etwa auf halber Strecke zwischen der Karibik und den Kapverdischen Inseln, findet sich das Logatchev-Hydrothermalfeld, berichtet das Team. In einer Reihe von Fahrten registrierten die Forscher hier die höchsten jemals an heißen Quellen gemessenen Konzentrationen an Wasserstoff.

Symbiont gewinnt aus Schwefel und Wasserstoff Energie

In den Kiemen der dort lebenden Tiefseemuschel Bathymodiolus puteoserpentis fand sich erstmals ein Symbiont, der statt Schwefel auch Wasserstoff einsetzen kann, um Energie zu gewinnen.

Diese Reaktion bildet der Mensch mit Brennstoffzellen nach, in denen Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zu Wasser werden. Bakterien, die diese Reaktion beherrschen, waren schon bekannt.

Als Grundlage des Lebens in der Tiefsee sind sie aber neu. Um sie untersuchen zu können, waren die Forscher auf die Tiefseeroboter "Marum-Quest" und "Kiel 6000" vom IFM-GEOMAR an der Uni Kiel angewiesen.

Bis zu 5000 Liter Wasserstoff pro Stunde werden oxidiert

Die Muschelfelder um die hydrothermalen Quellen herum erreichen einige hundert Quadratmeter Größe, berichten die Experten. Bis zu einer halben Million Individuen lebten dort.

Die Experimente deuten darauf hin, dass die Muscheln im Logatchev-Hydrothermalfeld bis zu 5000 Liter Wasserstoff pro Stunde umsetzen (oxidieren), rechnet Co-Autor Frank Zielinski vor. Die Bakterien in den Muschelkiemen spielen demnach eine beachtliche Rolle als Primärproduzenten und bei der Umwandlung von geochemischer Energie in Biomasse.

Mikrobiologen bezeichnen dieses Leben auf der Basis anorganischer Verbindungen als "lithotroph" - als sich von Steinen ernährend.

Schlüsselenzym ist eine Hydrogenase

Dubilier und ihren Kollegen gelang es zudem, eines der Schlüsselenzyme für die Reaktion zu ermitteln, eine sogenannte Hydrogenase. Auch die Symbionten anderer an den Hydrothermalquellen lebenden Tiere - etwa des Röhrenwurms Riftia pachyptila oder der Garnele Rimicaris exoculata - besitzen dieses Schlüsselenzym.

"Wir gehen deshalb davon aus, dass die Fähigkeit, Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, unter diesen symbiotischen Gemeinschaften weit verbreitet ist, und zwar selbst dort, wo der Wasserstoff in nur sehr geringen Mengen vorkommt", erklärt Dubilier. (dpa)

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