Waiblingen

Expedition zu den Bakterien der Tiefsee

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Emil Ruff (rechts) mit seinen Kollegen JP Balmonte von der Universität North Carolina in Chapel Hill (links) und Dr. Gunter Wegener vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen (Mitte). Jeder Forscher wird nach der ersten Tauchfahrt mit dem Tauchboot Alvin getauft und bekommt den Titel „Alvinaut“. So auch Emil Ruff, hier nach seiner Taufe mit eiskaltem, salzigem Kaffeesatz. © Sarah Utz
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An vielen Stellen ist der Meeresboden bedeckt von weißen oder orangefarbigen Matten. Diese bestehen aus Milliarden schwefeloxidierenden Bakterien. © Sarah Utz
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Emil Ruff bei seinem ersten Tauchgang. Der Forscher winkt noch einmal zum Abschied, bevor er Alvin über eine Luke betritt. Ein Spezialteam überwacht jeden Handgriff und kennt alle Details des 25 Tonnen schweren High-Tech-Tauchboots. © Sarah Utz
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© Sarah Utz

Calgary/Kernen. Von Manzanillo an der Pazifikküste Mexikos aus brauchte das Forschungsschiff Atlantis II zweieinhalb Tage, um im Golf von Kalifornien genau dort anzulangen, wo der Stettener Biologe Dr. Emil Ruff in atemberaubende 2000 Meter Tiefe abtauchen wollte. Sein Vehikel: U-Boot Alvin, das 1986 das Wrack der Titanic erkunden half. Das Gerät schrieb 1977 Forschungsgeschichte, als mit ihm am Meeresgrund vor Galapagos die „Schwarzen Raucher“ entdeckt wurden. Jetzt spürte Emil Ruff ganz besonderen Bakterien nach.

„Das Abtauchen ist eine wahnsinnige Ehre“, sagt der 35-jährige Stettener Dr. Emil Ruff mit großer Dankbarkeit. „Kaum jemand hat die Chance, im Guaymas-Basin mit hochkarätigen wissenschaftlichen Teams in dieser Tiefe zu forschen. Das ist auch ein Meilenstein in meiner Karriere.“ Drei Wochen dauerte die Ausfahrt in der pazifischen Meerenge vor Mexiko. Der Biologe aus dem Remstal – Fachgebiet mikrobielle Ökologie – forscht derzeit an der University of Calgary in der kanadischen Provinz Alberta bei Professor Marc Strous auf seiner zweiten Post-Doc-Stelle.

Heiße Quellen in der Tiefsee

Das Thema Stoffwechsel beschäftigt ihn dabei vorrangig. In der dunklen Tiefe des Guaymas-Basins, wo mangels Fotosynthese Pflanzen nicht existieren, leben wegen der aus dem Erdreich aufsteigenden Magma und den extrem heißen unterseeischen Quellen sogenannte chemosynthetische Bakterien, die ganz eigene Stoffwechselprozesse entwickeln mussten. „Auf der Erdoberfläche wird unser komplettes Ökosystem ermöglicht durch Sonnenlicht. Da unten scheint keine Sonne. Das Ökosystem wird durch chemische Energie angetrieben, die aus der Erde kommt“, erklärt Emil Ruff.

Tauchboot Alvin kann bis zu 4500 Meter tief sinken

Chemosynthese statt Fotosynthese, das ist Emil Ruffs faszinierendes Thema. Der Tiefseeforscher sitzt vor seinem Laptop und ruft Fotos der jüngsten Exkursion auf. 20 Forscher verschiedener Fachrichtungen unter Leitung des Meeresbiologen Prof. Andreas Teske waren im Golf von Kalifornien an Bord der Atlantis II unterwegs. Atlantis, so heißt das Mutterschiff, das seit 1986 das legendäre bemannte U-Boot Alvin huckepack nimmt. Alvin kann bis zu 4500 Meter tief tauchen. Am Vorabend werden die Tauchgänge vorbereitet. Die Titankapsel selbst hat etwa 2,50 Meter Durchmesser und eine etwa 8 Zentimer dicke Wandung. Sie ist eine perfekte Kugel, um den enormen Drucken von mehreren Hundert Bar standzuhalten. Die Kapsel ist am Vorderende Alvins eingebettet. Der hintere Teil des U-Boots ist voller Technik und Auftriebskörper, die aber dem Umgebungsdruck ausgesetzt sind. Eine Stunde lang sinkt das U-Boot bei Tempo 2 km/h ab. In zwei Kilometer Tiefe angekommen, sammelt es die begehrte, außerirdisch anmutende Biomasse ein. Grüne Pflanzen gibt es dort nicht.

Wo am Meeresgrund Magma und Gase austreten...

„Alvin ist eins der wichtigsten Werkzeuge in der Tiefseeforschung“, erläutert Emil Ruff. „Vorher wussten wir gar nicht, dass es Leben in der Tiefsee gibt. Es ist so wichtig geworden, weil man mit ihm zum ersten Mal in die Tiefe tauchen konnte, um die dortigen Ökosysteme zu sehen.“ Eigentlich ist die dunkle Tiefsee eine flache Ebene. In der tektonisch bewegten Zone des ostpazifischen Rückens aber, wo vor der mexikanischen Ostküste zwei Erdplatten auseinanderdriften und am Meeresgrund Magma und Gase aus der Erdkruste austreten, entsteht Landschaft. So wachsen aus dem Boden bis zu 50 Meter hohe Unterwasserschlote, Kamine aus aufsteigenden Sulfiden und Metallen, die oxidieren und im kalten Wasser ausfallen, um ein hartes, poröses Material zu bilden. Das ideale Habitat für viele chemosynthetische Mikroorganismen. Sie ziehen ihre Stoffwechselenergie aus der Oxidation chemischer Substanzen wie Methan, Sulfid oder Schwefel - eines der Themen, mit denen sich Dr. Ruff befasste.

Spannende Biochemie bei heißen Temperaturen

In der Meerenge des Golfs von Kalifornien herrschen ideale Lebensbedingungen für diese Kleinstlebenwesen. „Wie machen die das, dass sie bei extrem heißen Temperaturen ihr Wachstumsoptimum haben? Da steckt Biochemie dahinter, die wahnsinnig spannend ist“, sagt er. Zudem entdecken Forscher bei fast jeder Expedition in die Tiefe neue Mikroorganismen. Die Tiefsee sei der größte Lebensraum auf Erden.

Yeti-Krabben züchten die Bakterien und weiden sie ab

Außerirdisch anmutende Kreaturen wie die 2005 entdeckten weißen Yeti-Krabben leben fast alle in Symbiose mit den Schwefeloxydierern, den Bakterien, die ihren Wirtstieren den Stoffwechsel, sprich die Synthese aus Schwefel und Sauerstoff abnehmen. Die Krabben züchten die Bakterien auf ihren Armen und weiden sie dann ab. Auch Röhrenwürmer, sackartige Wassertiere, denen Mund und Darm fehlen, leben in Symbiose mit den chemosynthetischen Bakterien. Die Würmer liefern den Schwefelwasserstoff, das Kohlendioxid und den Sauerstoff mit ihren feinen Kiemen, Substanzen, die die Bakterien für den Stoffwechsel benötigen. Im Gegenzug liefern sie den Röhrentieren Zucker. Sie spenden also Energie und ermöglichen so Wachstum. „Alles ist in der Tiefsee angetrieben von den Bakterien“, sagt der Biologe Ruff. „Bei uns oben auf der Erde ist der Motor die Sonne, also die Pflanzen und ihre Fotosynthese.“

Vom Staufer-Gymnasium übers Max-Planck-Institut nach Calgary

Dr. Emil Ruff hat am Staufergymnasium sein Abitur abgelegt, an der Uni Stuttgart Technische Biologie studiert und seine Studienarbeit später am Stuttgarter Max-Planck-Institut geschrieben. Für seine Diplomarbeit forschte er am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Dort schrieb er auch die Doktorarbeit.

Nur Fördergelder, wenn man publiziert

Bis zur Publikationsreife seines Tiefsee-Experiments, wenn also die Proben vom Meeresgrund analysiert, die Daten ausgewertet und visualisiert sind, um sie zu veröffentlichen, vergehen rund zwei Jahre. „Unsere Bezahlung ist Reputation. Man bekommt nur Fördergelder, wenn man publiziert“, sagt Emil Ruff, dessen Artikel schon in PNAS zu lesen waren. Sie erzeugen unter Forschern weltweit Aufmerksamkeit. Dr. Ruff hofft, dass sie ihm nach seiner Rückkehr nach Deutschland den Weg zu einer Professur bahnen wird.

Was ist Fotosynthese, was Chemosynthese?

Vergleicht man Chemo- und Fotosynthese, so funktioniert die Chemosynthese „ohne Licht“. Während bei der Fotosynthese mit Hilfe der Lichtenergie Wasser gespalten wird und die daraus gewonnenen Elektronen zur Erzeugung von Energie verwendet werden, passiert dies in der Chemosynthese ohne den Einfluss von Lichtenergie. In der dunklen Tiefsee ist die Chemosynthese der Prozess zur Schaffung von Biomasse.

Bakterien wie Schwefelbakterien sind zur Chemosynthese befähigt. Chemosynthetisch aktive Lebewesen sind, ebenso wie Fotosynthese betreibende Vertreter, autotroph. Das heißt, sie können aus anorganischen, mineralischen Verbindungen Biomasse aufbauen. Energiespender sind in der Regel Schwefelwasserstoff, Methan, Wasserstoff oder Eisen.

Eine der Schlüsselentdeckungen bei der Untersuchung der Chemosynthese ist die Symbiose der mund- und darmlosen Röhrenwürmer mit schwefeloxidierenden Bakterien. 1981 wurde von Colleen Cavanaugh und Kollegen diese Zusammenarbeit von Schwefelbakterien und Großen Röhrenwürmern beschrieben. So besitzen die Röhrenwürmer kein Verdauungssystem. Die Frage stellt sich, wie sie an Nahrung herankommen. Hier spielen die Bakterien eine Rolle.

Das Habitat der Schwefelbakterien sind „Black Smoker“, also unterseeische heiße Quellen mit mineralstoff- und schwefeldioxidreichem Wasser. Charakteristisch ist ein rotes, kiemenartiges Büschel, welches aus der weißen Röhre ragt. Hier kommt es zur Aufnahme von Sauerstoff, CO2 und Schwefelwasserstoff (Sulfid).

Ein wichtiges Organ des Röhrenwurms ist das Trophosom. Hier finden sich Schwefelbakterien, die den Wurm versorgen. Über die Aufnahme an den Kiemenbüscheln gelangen die Stoffe ins Köperinnere: Die Bakterien werden mit Sulfid versorgt, die Würmer erhalten die Energie aus diesem Prozess.