Bakterien

Leben ganz ohne Sonne

Bakterien der Tiefsee genügt das "Licht" von heißen Quellen

22. Juni 2005 Über die Oberfläche des Mondes wissen wir mehr als über den größten Teil der Erdoberfläche. So hat einmal ein Meeresbiologe etwas überspitzt die Tatsache zum Ausdruck gebracht, daß der Boden der Tiefsee noch weithin unerforschtes Gebiet ist. Wo genauer gesucht wird, muß man auf Überraschungen gefaßt sein. Diese Erfahrung hat jetzt wieder eine internationale Forschergruppe gemacht, die Bakterien an einer 350 Grad heißen Quelle vor der Küste Mexikos 2400 Meter unter dem Meeresspiegel entnommen und im Labor analysiert hat. Es zeigte sich, daß diese Mikroorganismen Photosynthese betreiben - und das an einem Ort, zu dem niemals auch nur ein einziger Sonnenstrahl vordringt.

Leben braucht Licht. Seit nahezu vier Milliarden Jahren sorgen grüne Solarkraftwerke dafür, daß das Kohlendioxyd der Luft in organische Verbindungen überführt und somit für Lebewesen nutzbar wird. Was Pflanzen und Bakterien mit Hilfe des Sonnenlichts durch Photosynthese an organischen Kohlenstoffverbindungen herstellen, ist der Treibstoff, mit dem die anderen Organismen ihren Lebensmotor am Laufen halten.

Üppige Lebensgemeinschaft

Sogar die Lebewesen auf dem Boden der Tiefsee werden mit Sonnenenergie versorgt, die in organischem Kohlenstoff gespeichert zu ihnen hinabsinkt. Lediglich rund ein Prozent des Materials, das im oberflächennahen Wasser vom Plankton durch Photosynthese erzeugt wird, gelangt in große Tiefen. Entsprechend dünn muß die "Wüste" auf dem Tiefseeboden besiedelt sein. Dieses biologische Dogma ist mittlerweile freilich nur noch die Regel, denn es gibt Ausnahmen. Im Jahr 1977 entdeckten Meeresforscher von einem bemannten Tauchboot aus nördlich der Galapagosinseln an einer heißen Quelle in 2600 Meter Tiefe eine üppige Lebensgemeinschaft vorher unbekannter Tiere. Prominenteste Vertreter sind meterlange Röhrenwürmer.

In der Folge stieß man auf weitere derartige Oasen der Tiefsee. Wie sich zeigte, nutzen Bakterien das im Wasser der Thermalquellen enthaltene Kohlendioxyd zum Aufbau organischen Kohlenstoffs. Für diese Chemosynthese wird kein Licht benötigt. Das meiste organische Material produzieren Bakterien, die Schwefelwasserstoff Elektronen entziehen und diese auf Sauerstoff übertragen. Die freiwerdende Energie dient der Synthese organischen Kohlenstoffs. Weil sie Sauerstoff benötigen, der andernorts durch Photosynthese bereitgestellt wird, sind diese Mikroben aber letztlich auch auf Sonnenlicht angewiesen.

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Von der Sonne emanzipiert haben sich hingegen jene Bakterien an heißen Quellen der Tiefsee, die ohne Sauerstoff auskommen, indem sie beispielsweise das Kohlendioxyd mit Hilfe von Wasserstoff in eine organische Verbindung überführen. Auch die jetzt von Forschern aus Kanada, Deutschland und den Vereinigten Staaten an einer heißen Quelle des ostpazifischen Rückens entnommenen Mikroben gehören zu der Fraktion der Unabhängigen. Was sie aber einzigartig macht, ist ihre Fähigkeit, Photosynthese im scheinbar vollkommenen Dunkel der Tiefsee zu betreiben. Sie nutzen als Energiequelle das schwache "Glimmen", das von heißen Quellen des Meeresgrundes ausgeht. Diese für das Auge unsichtbare Strahlung, das sogenannte geothermische Licht, gibt der Wissenschaft noch Rätsel auf.

Geheimnisvolles Licht

Auf das geheimnisvolle Licht der Tiefsee ist Ende der achtziger Jahre die amerikanische Biologin Cindy Lee Van Dover aufmerksam geworden. Sie hatte bei Krebsen, die an Thermalquellen auf dem dunklen Meeresboden leben, eigenartige Lichtsinnesorgane entdeckt. Sie befinden sich auf dem Rücken. Bei der Suche nach dem biologischen Sinn dieser "Augen" stieß die Forscherin auf das geothermische Licht. Es handelt sich dabei um Strahlung vorwiegend im tiefroten bis nahezu infraroten Bereich. Das heiße Wasser, auch wenn es mit mehr als 300 Grad aus dem Boden schießt, kommt nicht als alleinige Strahlungsquelle in Betracht. Die Intensität bei manchen Wellenlängen ist viel zu hoch, als daß sie mit Wärmestrahlung erklärt werden könnte. Möglicherweise entsteht "Licht", wenn das heiße Wasser auf das kalte Meerwasser, dessen Temperatur nur zwei Grad beträgt, trifft und dabei Mineralien auskristallisieren. Zu den weiteren Erklärungsversuchen gehören Sonolumineszenz, hervorgerufen durch kollabierende Bläschen, und bei chemischen Reaktionen auftretende Lumineszenz.

Im Labor von Jörg Overmann an der Universität München gelang es, die Bakterien aus der Tiefsee zu kultivieren, was viel Erfahrung voraussetzt. Wie die Analysen ergaben, handelt es sich um Grüne Schwefelbakterien. Die stäbchenförmigen Zellen sind rund einen Mikrometer lang und 0,3 Mikrometer dick. Sie enthalten Bakterienchlorophyllc und verschiedene Carotinoide, vor allem Chlorobacten. Die Carotinoide wirken als Lichtsammler. In dieser Funktion werden sie unterstützt durch das sogenannte Fenna-Matthews-Olson-Protein, das man bislang nur bei Grünen Schwefelbakterien gefunden hat. Offenbar ist das neue Bakterium, das die Bezeichnung GSB1 erhielt, mit Grünen Schwefelbakterien der Gattungen Chlorobium und Prosthecochloris verwandt. Diese Bakterien sind aber auf Sonnenlicht angewiesen.

Wie Thomas Beatty von der University of British Columbia in Vancouver zusammen mit den anderen Forschern in den "Proceedings" der amerikanischen Akademie der Wissenschaften (Bd.102, S.9306) berichtet, benötigt GSB1 zum Wachstum außer Licht nur Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff oder elementaren Schwefel. Die Umgebung muß außerdem frei von Sauerstoff sein. Andernfalls geht das Bakterium so lange in eine Art Ruhezustand über, bis der Sauerstoff verschwunden ist.

Genügsames Bakterium

Was den Lichtbedarf betrifft, ist das Bakterium erstaunlich genügsam. In seinem Lebensbereich einige Zentimeter vom heißen Wasser entfernt kommen nur wenige Photonen an, die von den Photosynthesefabriken, den Chlorosomen, in der Zelle genutzt werden können. Bezogen auf den langwelligen Bereich, sind es ungefähr so viele, wie von einem 50 Meter entfernten Teelicht einträfen. Eine ähnliche Intensität, die allerdings vom Sonnenlicht herrührt, hat man im Schwarzen Meer in 80 Meter Tiefe gemessen. Auch dort können noch Grüne Schwefelbakterien leben. Zu ihrem Arsenal an Carotinoiden zählt eine besondere Verbindung, die gezielt den grünen Anteil des in diese Tiefe dringenden Sonnenlichts erntet. Das Carotinoid, das den Bakterien eine bräunliche Farbe verleiht, kommt bei den Verwandten der Tiefsee nicht vor. Schließlich stammen die Photonen, die dort einzufangen sind, aus dem längerwelligen Bereich des Spektrums.

Organismen, die bei der Photosynthese mit derart wenig Licht auskommen, müssen ein gemächliches Leben führen. Bis sich die Grünen Schwefelbakterien des Schwarzen Meeres einmal teilen, vergehen etwa 2,8 Jahre. Die "Lichtkünstler" in der Tiefsee dürften ähnlich lange brauchen - eine Ewigkeit, verglichen mit den rund 20 Minuten, in denen sich beispielsweise Kolibakterien verdoppeln können. Die jüngsten Ergebnisse sprengen jedenfalls das Dogma, Photosynthese könne in der Natur nur dort stattfinden, wohin das Licht der Sonne reicht.

Text: F.A.Z., 22.06.2005, Nr. 142 / Seite N1

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