Kurilengraben: Chemosynthese und Leben in der Hadalzone

Die Mission sollte ursprünglich einen düsteren Grabenboden kartieren. Stattdessen stiess sie tief im Kurilengraben zwischen Russland und Japan auf blühende Gemeinschaften ungewöhnlicher Tiere, die sich von chemischer Energie ernähren, welche aus dem Meeresboden austritt.

Eine verborgene Grenze, an der das Licht verschwindet

Unterhalb von 6.000 Metern beginnt die sogenannte Hadalzone – eine stockfinstere, nach Hades benannte Welt. Der Druck steigt dort auf mehr als das Tausendfache des Drucks auf Meereshöhe, während die Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt liegen. Jahrzehntelang gingen viele Forschende davon aus, dass unter solchen Bedingungen nur wenige Mikroben und gelegentlich vorbeiziehende Aasfresser existieren könnten.

Dieses Bild ist überholt. 2024 tauchte das bemannte chinesische Tiefsee-Tauchboot Fendouzhe im Kurilengraben auf mehr als 9.500 Meter Tiefe ab. Im Licht seiner Scheinwerfer zeigte sich eine Landschaft, die beunruhigend stark an einen Wald erinnerte.

Auf einer Ebene aus dunklem Sediment ragten dichte Bestände von Röhrenwürmern wie gespenstische Schilfgürtel empor, umgeben von geschäftigen Schwärmen aus Krebstieren und Muscheln.

Diese Tiere bilden eines der tiefsten bislang bekannten Ökosysteme der Erde. Erste Kartierungen deuten darauf hin, dass sich solche Lebensräume über rund 2.500 Kilometer entlang des Grabensystems erstrecken und ein Mosaik aus Leben in der abyssalen Landschaft bilden könnten.

Leben durch Chemie statt Sonnenlicht

Die Gemeinschaften konzentrieren sich an sogenannten Sickerstellen, an denen methan- und schwefelwasserstoffreiche Flüssigkeiten aus dem Meeresboden quellen. Tageslicht gibt es dort nicht, Photosynthese ist daher unmöglich. Die Grundlage des Nahrungsnetzes ist stattdessen Chemie.

Mikroben im Sediment und im Gewebe der Tiere nutzen die Energie, die frei wird, wenn Methan- und Schwefelverbindungen mit Meerwasser reagieren. Dieser als Chemosynthese bezeichnete Vorgang wandelt anorganische Moleküle in organische Substanz um, die anderen Lebewesen als Nahrung dient.

In diesen Tiefen wirken Bakterien wie unterirdische Pflanzen: Sie erzeugen Nahrung aus Gasen und Mineralien statt aus Sonnenschein.

Die zu den Sibogliniden gehörenden Röhrenwürmer haben auf ein herkömmliches Verdauungssystem verzichtet. Dafür beherbergen sie in einem speziellen Organ dichte Kolonien chemosynthetischer Bakterien. Die Mikroben liefern Nährstoffe, die Würmer bieten Schutz sowie Zugang zur chemischen Energie. Riesige Muscheln und andere zweischalige Weichtiere gehen ähnlich vor und beherbergen nützliche Mikroben in ihren Kiemen.

Der Kurilengraben: eine energiereiche Narbe am Meeresboden

Der Kurilengraben ist selbst eine eindrucksvolle geologische Struktur und stellenweise mehr als 10.000 Meter tief. Er markiert die Grenze, an der die Pazifische Platte unter die kleinere Ochotsk-Platte abtaucht. Dieser als Subduktion bekannte Prozess zerbricht Gestein und erhitzt in der Erdkruste eingeschlossene Flüssigkeiten.

An Bord des Forschungsschiffs Tan Suo Yi Hao untersuchten Wissenschafterinnen und Wissenschafter Wasser- und Sedimentproben, die an den Sickerstellen geborgen worden waren. Dabei fanden sie hohe Methankonzentrationen mit einer chemischen Signatur, die auf mikrobiellen Ursprung verweist. Vereinfacht gesagt wandeln im Schlamm vergrabene Mikroben Kohlendioxid in Methan um, das anschliessend wieder austritt.

Dieser Austritt ist nicht bloss eine Kuriosität: Er liefert den Energiefluss, der die Lebensgemeinschaften im Graben versorgt. Flohkrebsartige Amphipoden, Seegurken (Holothurien) und weitere Aasfresser weiden Bakterienmatten ab oder sieben organische Partikel aus, die durch die Wassersäule sinken. Damit verbinden sie den chemischen Motor des Meeresbodens mit dem umfassenderen Tiefsee-Ökosystem.

• Tiefe: mehr als 9.500–10.000 Meter unter der Oberfläche
• Bedingungen: völlige Dunkelheit, nahezu gefrierendes Wasser, enormer Druck
• Wichtigste Energiequelle: durch Methan und Sulfid angetriebene Chemosynthese
• Vorherrschende Tiere: Röhrenwürmer, Muscheln, Krebstiere, Seegurken
• Geologischer Rahmen: aktive Subduktionszone mit Flüssigkeitsaustritten

Der Kurilengraben verschiebt die Grenzen des Lebens

Der Nachweis komplexer Lebensgemeinschaften in solchen Tiefen macht eine Neubewertung nötig, wo Leben funktionieren kann. Die Systeme des Kurilengrabens zeigen, dass scheinbar lebensfeindliche Umgebungen stabile und langlebige Ökosysteme tragen können, sofern eine kontinuierliche chemische Energiequelle vorhanden ist.

Hadalgräben wirken zunehmend weniger wie tote Schächte und mehr wie verborgene Korridore der Aktivität, die sich entlang tektonischer Grenzen ziehen.

Für die Biologie hat das zwei wesentliche Folgen. Erstens erweitert es die bekannten Grenzen tierischen Lebens auf der Erde – sowohl hinsichtlich der Tiefe als auch der Drucktoleranz. Zweitens stützt es die Vorstellung, dass Leben weit entfernt vom Sternenlicht entstehen oder fortbestehen könnte, an durch Geochemie versorgten Grenzflächen zwischen Gestein und Wasser.

Erkenntnisse für Mars, Europa und darüber hinaus

Astrobiologinnen und Astrobiologen verfolgen diese Funde genau. Mehrere Welten in unserem Sonnensystem könnten unterirdische oder unter Eis liegende Ozeane besitzen: der Mars mit seinen salzhaltigen Taschen im Untergrund, Jupiters Mond Europa sowie Saturns Mond Enceladus mit ihren inneren Meeren, die durch Gezeitenverformung erwärmt werden.

Alle drei bieten keinen einfachen Zugang zu Sonnenlicht. Sie könnten jedoch Gestein, Wasser und chemische Gradienten aufweisen – dieselben Zutaten, die die Mikroben im Kurilengraben versorgen. Die Entdeckungen aus der Hadalzone liefern ein Modell dafür, wie ausserirdisches Leben aussehen könnte: langsam wachsende, von Mikroben getragene Systeme, die sich dort konzentrieren, wo Flüssigkeiten durch zerklüftetes Gestein zirkulieren.

Künftige Missionen, die Fontänen von Enceladus beproben oder Europas Eis durchbohren, werden nach chemischen Signaturen suchen, wie sie nun über den Sickerstellen des Kurilengrabens gemessen wurden: ungewöhnlichen Methanmuster, Schwefelverbindungen ausserhalb des chemischen Gleichgewichts oder komplexen organischen Molekülen, die auf einen fortlaufenden Stoffwechsel hindeuten.

Ein empfindlicher Zufluchtsort unter wachsendem Druck

Obwohl die Hadalgemeinschaften weit von menschlichen Alltagsaktivitäten entfernt liegen, sind sie nicht von menschlichen Entscheidungen abgeschirmt. Das Interesse am Tiefseebergbau wächst, angetrieben von der Nachfrage nach Metallen für Batterien und Elektronik. Die meisten aktuellen Vorhaben konzentrieren sich auf flachere abyssale Ebenen, doch das Wissen über die Tiefsee ist bestenfalls lückenhaft.

Die Ökosysteme des Kurilengrabens wurden bekannt, gerade als die Industrie den Meeresboden ins Visier nimmt – ein Hinweis darauf, wie wenig über den grössten Lebensraum des Planeten bekannt ist.

Störungen in einem Teil der Tiefsee können Sedimente aufwirbeln, chemische Strömungen verändern und Nahrungsketten beeinträchtigen, die sich über Tausende Kilometer erstrecken. An Sickerstellen gebundene Gemeinschaften könnten besonders empfindlich sein, weil ihr Überleben von einem fragilen Gleichgewicht aus Geologie, Flüssigkeitsfluss und mikrobieller Aktivität abhängt.

So funktioniert Chemosynthese tatsächlich

Chemosynthese kann abstrakt wirken. Anschaulicher ist sie als eine Art Unterwasser-Industrieprozess, der von Redoxreaktionen angetrieben wird. Mikroben verwenden Verbindungen wie Methan, Schwefelwasserstoff oder Wasserstoff als Elektronendonoren sowie Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat als Elektronenakzeptoren.

Im Kurilengraben oxidieren Bakterien typischerweise Methan mit Sulfat oder nutzen Schwefelwasserstoff in Gegenwart von Sauerstoff, der aus höheren Wasserschichten nach unten diffundiert. Die dabei frei werdende Energie ermöglicht die Bildung von Zucker und anderen organischen Molekülen aus Kohlendioxid – ähnlich dem, was grüne Pflanzen mit Licht und Chlorophyll leisten.

Bedeutung für Klima und künftige Forschung

Das im Kurilengraben gemessene Methan verbindet die Tiefsee auch mit Klimafragen. Ein Teil dieses Gases bleibt als Methanhydrat im Sediment eingeschlossen – eisartige Kristalle, die Treibhausgase binden. Ein anderer Teil tritt aus und wird von Mikroben verbraucht, bevor er die Oberfläche erreicht. Die Kartierung dieser Wege hilft dabei, Schätzungen zu verbessern, wie viel Tiefsee-Methan in die Atmosphäre entweicht.

Forschende planen nun wiederholte Expeditionen in den Graben, um zu beobachten, wie stabil diese Sickerstellen-Ökosysteme im Lauf der Zeit sind. Blühen sie bei Veränderungen der tektonischen Aktivität auf und verschwinden wieder? Lenkt ein starkes Erdbeben die Flüssigkeitswege um, sodass ein „Wald“ aus Röhrenwürmern verhungert, während wenige Kilometer entfernt ein anderer entsteht?

Für Nichtfachleute lässt sich die Grössenordnung gut über einen Druckvergleich erfassen. In 10.000 Metern Tiefe lastet auf jedem Quadratzentimeter eines Tierkörpers etwa eine Tonne Gewicht. Proteine und Zellmembranen würden unter dieser Belastung normalerweise nachgeben. Arten der Hadalzone überleben, indem sie ihre Chemie anpassen, ihre Zellen mit druckstabilisierenden Molekülen anreichern und lebenswichtige Enzyme subtil umformen.

Diese Anpassungen wecken bereits Interesse in Biotechnologie und Medizin. Enzyme, die unter extremem Druck zuverlässig funktionieren, könnten industrielle Verfahren unterstützen – von der Sterilisation von Lebensmitteln bis zur Arzneimittelherstellung, bei denen Hochdruckbehandlungen eingesetzt werden. Die Lebensgemeinschaften des Kurilengrabens könnten letztlich Technologien an Land beeinflussen, während sie in der Dunkelheit weiter still existieren.